Departamento de Engenharia Civil

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MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO 2 1ª PARTE – LIGANTES E CALDAS 2002

actualização 2006

Joana de Sousa Coutinho

Departamento de Engenharia Civil

MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO 2 1ª PARTE – LIGANTES E CALDAS 2002

actualização 2006

Joana de Sousa Coutinho

Materiais de Construção 2 – 1ª Parte 2006 Joana de Sousa Coutinho

ÍNDICE

1. INTRODUÇÃO 1.1 Considerações Considerações gerais 1.2 Betão. Definição 2 LIGANTES 2.1 Introdução Ex: alcatrão 2.2 Gesso 2.2.1 Introdução 2.2.2 Presa e endurecimento endurecimento 2.2.3 Resistências Mecânicas 2.2.4 Outras propriedades 2.2.5 Aplicações Aplicações 2.3 Cal aérea e cal hidráulica 2.3.1 Introdução 2.3.2 Cal aérea 2.3.3 Endurecimento Endurecimento da cal aérea 2.3.4 Aplicações da cal aérea 2.3.5 Cal hidráulica 2.3.6 Presa e endurecimento endurecimen to da cal hidráulica 2.3.7 Algumas propriedades proprieda des e aplicações de cal hidráulica 2.3.8 Fabrico de cal 2.3.9 Comercialização Comercializaç ão de cais 2.3.10 Normalização 3. CIMENTOS 3.1 Introdução 3.2 Definição 3.3 Composição da matéria prima 3.4 FABRICO 3.4.1 Considerações Considerações Gerais 1. Preparação do cru 3.4.2 Preparação do cru 3.4.3 Cozedura em forno rotativo 3.4.4 Arrefecimento do clínquer. Moagem 3.5 Principais componentes do crú e do clínquer Portland 3.5.1 Considerações Considerações gerais 3.5.2 Componentes da matéria prima 3.5.3 Notação abreviada 3.5.4 Módulos 3.5.5 Componentes principais do clínquer 3.5.6 Cálculo dos componentes principais do cimento Portland 3.6 Hidratação 3.6.1 Presa, endurecimento e hidratação

ii

1 1 3 4 4 4 5 5 7 9 10 11 15 15 15 17 18 18 20 20 21 22 22 28 28 30 30 31 31 31 32 33 37 41 41 41 41 42 42 44 47 49 50


3.6.2 Hidratação e microestrutura microestrutura 55 3.6.3 Calor de hidratação dos componentes componentes 58 3.6.4 Resistência dos componentes hidratados 61 3.6.5 A água no cimento hidratado 62 3.6.6 Resistência química 64 3.7 Propriedades Proprie dades físicas, mecânicas e químicas dos cimentos 66 3.7.1 Massa volúmica dos cimentos 66 3.7.2 Finura 68 3.7.2.1 Introdução 68 3.7.2.2 Métodos de determinação da finura de um cimento 69 3.7.3 Resistências mecânicas 78 3.7.4 Presa 83 3.7.5 Falsa Presa 85 3.7.6 Expansibilidade Expansibilidad e 85 3.7.6.1 Expansibilidade Expansibilida de causada por óxido de cálcio livre 86 3.7.6.2 Expansibilidade Expansibilidad e causada pelo óxido de magnésio 87 3.7.6.3 Expansibilidade Expansibilida de causada por sulfatos de cálcio 88 3.7.7 Resíduo insolúvel 88 3.7.8 Perda ao fogo 89 3.7.9 Cloretos 89 3.8 MODIFICAÇÕES NA COMPOSIÇÃO no CLÍNQUER DO CIMENTO PORTLAND VERSUS USO DE ADIÇÕES 92 3.8.1 Cimento resistente aos sulfatos 96 3.8.2 Cimentos de baixo calor de hidratação 99 3.8.3 Cimento de elevada resistência inicial 100 3.8.4 Cimento branco 101 3.9 ADIÇÕES ou substitutos parciais do cimento Portland 102 3.9.1 Fíleres e filer calcário (L, LL). Cimentos Portland de calcário (CEM II-L II -L e LL) 103 3.9.1.1 Definição e características característ icas 103 3.9.1.2 Regulamentação Regulamentação 104 3.9.2 Escória de Alto Forno. Cimentos Portland de escória (CEM II-S) e cimentos de alto forno (CEM III) 105 3.9.2.1 Propriedades hidráulicas latentes 105 3.9.2.2 Escória - Definição e características características 105 3.9.2.3 Regulamentação Regulamentação 108 3.9.2.4 Vantagens do uso de escórias 108 3.9.3 Pozolanas. Actividade pozolânica. Classificação das pozolanas 110 3.9.4 Pozolanas naturais 111 3.9.5 Pozolanas artificiais 112 3.9.6 Cinza volante 114 3.9.6.1 Definição e características característ icas 114 3.9.6.2 Regulamentação Regulamentação 117 3.9.7 Sílica de fumo 117 3.9.8.1 Definição, características característ icas e vantagens 117 3.9.7.2 Efeitos da sílica de fumo 120 3.9.7.3 Regulamentação Regulamentação 123 3.9.8 Cinza de casca de arroz 124 3.9.9 Determinação da reactividade de uma adição tipo II 125 3.9.9.1 Índice de Actividade (adições tipo II) 125 iii


3.9.9.2 Pozolanicidade Pozolanicidad e 3.10 Especificações Especificaçõ es dos cimentos e normalização em Portugal 3.11 Cimentos Especiais 3.11.1 Cimento Supersulfatado Supersulfatado (Ciment mettalurgique mettalurgique supersulfaté) supersulfaté) 3.11.2 Cimento aluminoso 3.11.3 Cimento Expansivo 4. CALDAS DE INJECÇÃO 4.1 INTRODUÇÃO 4.2 FABRICO 4.3 PROPRIEDADES DA CALDA E NORMALIZAÇÃO 4.4 TECNOLOGIA DE INJECÇÃO 4.5 INJECÇÃO PROPRIAMENTE DITA 4.6 ANOMALIAS NA INJECÇÃO 4.7 REINJECÇÃO (post-grouting) 4.8 NOTAS FINAIS REFERÊNCIAS

iv

127 128 134 134 135 137 138 138 141 142 145 147 148 148 149 149


v


1. INTRODUÇÃO 1.1 CONSIDERAÇÕES GERAIS O betão e o aço são os materiais estruturais mais usados, por vezes completandose e noutras vezes competindo um com o outro de tal forma que estruturas de tipo e função semelhantes poderão ser construídas quer com um quer com o outro material de construção. No entanto, muitas vezes o engenheiro conhece pior o betão de uma estrutura do que o aço. De facto o aço é produzido sob condições cuidadosamente controladas e as suas propriedades são determinadas em Laboratório sendo referidas nos documentos de certificação emanados do produtor. Isto é, o projectista apenas terá que especificar o aço de acordo com as normas em vigor e o engenheiro da obra terá que verificar que as tarefas de ligação dos vários elementos de aço sejam bem realizadas. Numa obra em betão a situação é totalmente diferente, pois, embora a qualidade do cimento seja garantida pelo produtor de cimento de uma forma semelhante ao que acontece com o aço e se utilizem materiais cimentícios adequados, é o betão, e não o cimento, que constitui o material de construção. Os elementos estruturais numa obra em betão em geral são betonados in situ e utilizando-se os materiais adequados, a sua qualidade vai depender sobretudo da mão-de-obra que produz, coloca e cura o betão. Como a disparidade nos métodos de produção do aço e do betão é tão evidente torna-se muito importante o controlo de qualidade na obra quando é utilizado o material

betão. Além disso a mão-de-obra ligada à produção do betão não é especializada como noutros tipos de tarefas, tornando-se essencial a fiscalização na obra. Estes factos devem estar presentes na mente do projectista na medida em que um projecto cuidado e detalhado pode ser facilmente viciado se as propriedades do betão efectivamente produzido em obra se desviarem muito das propriedades previstas no projecto. Do que foi dito não se deverá concluir que é difícil produzir bom betão, pois o betão de má qualidade que se caracteriza, por exemplo, por uma trabalhabilidade inadequada e que endurece transformando-se numa massa não homogénea e com ninhos de pedra, também provem da mistura de cimento, agregados e água. Isto é, os ingrediente de um bom betão são exactamente os mesmos de um mau betão e a diferença entre os dois reside na técnica e conhecimentos do “como fazer” (Neville, 1995).

1


De facto os processos envolvidos na produção de cimento e betão são complexos, como se verifica na Figura 1.

matérias primas moagem do cru homogeneização

alimentação do forno

calcinação queima arrefecimento

clinquer

adições minerais

água

adjuvantes adições quimícas

adições

moagem

agregados

armazenamento

cimento

betão

Figura 1 – Fluxograma de materiais e processos na produção de cimento e betão (Johansen, 1999).

As propriedades do betão endurecido são da maior importância e dependem da complexa estrutura interna deste material. Além disso o comportamento comportamento do betão fresco e enquanto plástico tem uma influência crucial na estrutura interna e, consequentemente consequentemente nas propriedades do material endurecido. Acresce ainda que a estrutura interna e, portanto, as respectivas propriedades, vão evoluindo ao longo do tempo, interagindo com o ambiente em que o betão está inserido (Construction Materials, 1996). Assim, saber fazer “betão de qualidade” implica avaliar o ambiente onde a estrutura do betão vai ser inserida, procurando prever as interacções ambiente/betão; conhecer o comportamento dos constituintes; controlar as fases de produção, transporte,

2


colocação, compactação - isto é, o seu comportamento no estado fresco, assim como garantir uma eficiente protecção e cura. Um betão de qualidade assim concebido e realizado terá uma estrutura interna que evolui ao longo do tempo mas cujas propriedades satisfazem os requisitos pretendidos durante o período de vida útil prevista para essa estrutura. Em resumo, poder-se-á dizer que o BETÃO é um material compósito cujas propriedades dependem: - da qualidade dos constituintes - da qualidade de mão-de-obra que o produz e coloca - das condições ambientais a que estará exposto durante a sua vida útil (Skalny, 1989). Repare-se que com a evolução dos conhecimentos actuais relacionados com o betão, torna-se fundamental que os engenheiros, empreiteiros e técnicos ligados à construção levem a sério o desafio proposto por Sitter e designado pela “Lei dos cinco”: «Uma libra (escudo, dólar, Euro, ...) investido na fase A, corresponde a 5 libras na fase B, 25 na fase C e 125 na fase D, em que: A - Projecto, construção e cura do betão B - Processos de iniciação da corrosão em curso mas as fases de propagação e portanto de deterioração ainda não começados. C - Fase de propagação da corrosão iniciada D - Estado de propagação avançada avançada » (Geiker, 1999). Isto é, é fundamental investir sobretudo na fase de concepção, construção (produção, transporte, colocação, colocação, COMPACTAÇÃO) protecção e cura do betão - a fase A.

1.2 BETÃO. DEFINIÇÃO O betão é um material constituído pela mistura devidamente proporcionada de agregados (em geral brita ou godo e areia) com um ligante hidráulico, água e eventualmente adjuvantes e/ou adições.

3


Ligante hidráulico (cimento) ( cimento) Agregados BETÃO

Grosso (brita ou godo) Fino (areia)

Água [Adjuvantes] [Adições]

2 LIGANTES 2.1 INTRODUÇÃO Um ligante é um produto que ganha presa e endurece, podendo aglomerar outros materiais, tais como agregado grosso e areia. São portanto substâncias com propriedades AGLOMERANTES.

HIDRÓFILOS

LIGANTES

Ex: cal aérea; gesso aéreos (não resiste à água)

Aplicação sobretudo em argamassas e betões

HIDRÓFOBOS

hidráulicos Ex: cal hidráulica; cimento (resistente à água) Ex: alcatrão

betumes naturais e artificiais asfaltos (destilação de petróleo) resinas(materiais plásticos ou sintéticos)

aplicação sobretudo em impermeabilizações e pavimentos

Um ligante hidrófilo é um ligante que tem afinidade com a água e misturado com ela forma uma pasta que endurece, podendo, como qualquer ligante, aglomerar outros materiais. É constituído por matéria sólida finamente pulverizada. Ex: cal aérea, gesso, cal hidráulica, cimento. Os ligantes hidrófilos podem-se classificar em aéreos ou hidráulicos. Um ligante hidrófilo aéreo é um ligante que misturado com a água forma uma pasta que endurece ao ar.

4


A pasta endurecida, com ou sem outros materiais incorporados, não é resistente à água. Ex: cal aérea, gesso. Um ligante hidrófilo hidráulico é um ligante que misturado com a água forma uma pasta que endurece ao ar ou dentro da água e a pasta endurecida, com ou sem outros materiais incorporados, resiste à água. Ex: cal hidráulica, cimento. Um ligante hidrófobo (repelente de água) é um ligante em que a água não tem qualquer papel na produção e endurecimento do aglomerante e que “repele” a água após endurecimento. É constituído por substâncias mais ou menos viscosas que endurecem por arrefecimento, por evaporação dos seus dissolventes ou por reacção química entre diferentes componentes. Apresentam-se, não sob a forma de pó como os ligantes hidrófilos, mas sob a forma de líquidos viscosos ou soluções resinosas e ao endurecer formam estruturas coloidais rígidas. Exs: alcatrão, proveniente de carvão, sobretudo de hulha), asfaltos (provenientes da destilação de petróleo), matérias plásticas ou sintéticas como resinas.

2.2 GESSO 2.2.1 Introdução A família dos “gessos” é um conjunto de ligantes simples constituídos basicamente por sulfatos mais ou menos hidratados de cálcio e sulfatos anidros de cálcio obtidos por desidratação e cozedura da Pedra de Gesso ou Gesso Bruto. O gesso encontra-se abundantemente na natureza, em terrenos sedimentares, apresentando-se sob a forma de Anidrite – CaSO 4 ou Pedra de Gesso (CaSO 4 . 2H2O) (Sampaio, 1978). A Pedra de Gesso ou Gesso Bruto é extraído das gesseiras e constituída essencialmente por sulfato de cálcio dihidratado (CaSO4.2H2O) podendo conter impurezas como sílica, alumina, óxido de ferro, carbonatos de cálcio e magnésio. A Pedra de Gesso se submetida a tratamento térmico em fornos especiais dá origem a compostos diversos, mais ou menos hidratados e com propriedades diferentes, de acordo com a temperatura de cozedura:

5


• Entre 130 e 160 oC o composto perde 1.5 moléculas de água dando origem ao gesso de Paris, gesso para estuque ou gesso calcinado – CaSO 4.1/2 H2O. • Este gesso é mais solúvel na água do que o Gesso Bruto. • Entre 170 e 280 oC obtém-se a anidrite solúvel – CaSO 4 de presa rápida (gesso rápido), transformando-se em CaSO 4.1/2 H2O em presença de água. • Entre 400 e 600 oC forma-se uma anidrite insolúvel, que portanto não reage com a água, não ganhando presa. • Cerca de 1100 oC forma-se o gesso para pavimentos que é uma anidrite de presa lenta. O gesso para pavimentos necessita de pouca água de amassadura e após endurecimento apresenta maior resistência e dureza e menor porosidade e sensibilidade à água do que o gesso de Paris. É pouco usado devido ao facto da sua produção exigir temperaturas elevadas de cozedura. Embora a presa demora cerca de 5 horas é possível reduzi-la para cerca de 30 minutos utilizando aceleradores, como por exemplo sulfato de alumínio (Duriez, 1950; NP 315, 1963; Sampaio, 1978; Bauer, 1992 e Moreira, 1999).

1600

1100º

1400

Gesso para Pavimentos (presa lenta, + resistente)

1200 1000 800 600 400 200

130 a 170º CaSO4.1/2H2O Gesso de Paris, para estuque ou CaSO4.2H2O calcinado Pedra de Gesso ou Gesso Bruto

170 a 280º CaSO4 Anidrite Solúvel (gesso rápido)

400 a 600º Anidrite Insolúvel (sem presa)

0

Figura 2 – Produtos obtidos a partir da Pedra de Gesso, de acordo com as temperaturas (ºC).

O gesso para construção ou gesso comercial é constituído por uma mistura de cerca de 60 a 70% de SO 4Ca.1/2 H2O e o restante de anidrite (Bauer, 1992) também podendo conter impurezas e adjuvantes. Num estudo levado a cabo no LNEC o gesso de construção em Portugal demonstraram um teor de SO 4Ca.1/2 H2O entre 77 e 97% (Oliveira e Rodrigues). 6


2.2.2 Presa e endurecimento Os sulfatos de cálcio hemi-hidratado e anidro, em presença de água reconstituem rapidamente o sulfato bi-hidratado original, isto é, o gesso bruto como reacção inversa ao seu fabrico: CaSO4.1/2 H2O + 1.5H2O → CaSO4.2H2O Esta reacção é fortemente EXOTÉRMICA e expansiva, formando-se uma fina malha de cristais em forma de longas agulhas que se interpenetram dando coesão ao conjunto. De facto uma das características mais notáveis do gesso é que a presa se faz com aumento de volume, o que tem vantagens quando se trata de enchimento de moldes, porque deixam de haver falhas dentro dos moldes. Além deste facto há a salientar que o acabamento das superfícies de gesso é muito perfeito. Por estas razões o gesso foi e é muitas vezes usado em ornamentações delicadas de tectos e paredes. Depois da presa o gesso continua a endurecer num processo que pode durar semanas. A presa e endurecimento dependem dos seguintes factores: 

natureza dos compostos desidratados originados pela temperatura e tempo do tratamento térmico sofrido, como visto atrás.



finura



presença de impurezas



presença de adjuvantes (por ex. retardadores de presa)



quantidade de água de amassadura

Relativamente à finura, quanto mais moído for o gesso, maior será a sua superfície específica e consequentemente a superfície do material exposto à hidratação, pelo que a presa será mais rápida (para a mesma quantidade de água de amassadura). A presa e o endurecimento do gesso tratado termicamente são também atrasados por impurezas que existam no Gesso Bruto (produto natural).

7


É possível também, obter gesso de presa mais lenta por incorporação de “retardadores” de presa tais como cola, serrim fino de madeira, etc., em proporções muito reduzidas (0.1 a 0,5%). A quantidade de água utilizada na amassadura de gesso, a água de amassadura , influencia muito a presa e o endurecimento, e, consequentemente a resistência e porosidade. De facto a presa é tanto mais rápida quanto mais se reduzir a quantidade de água no sentido de a aproximar da estritamente necessária à hidratação de dada quantidade de gesso (para o composto CaSO 4.1/2H2O é cerca de 25% em massa). Se se utilizar apenas a quantidade mínima, a presa é demasiado rápida e portanto não é manuseável, não é trabalhável, pelo que se utiliza sempre, na prática, uma quantidade de água maior. De facto o CaSO 4.1/2H2O é um produto muito solúvel na água. Então quando se mistura gesso com água, o CaSO 4.1/2H2O dissolve-se dando origem ao CaSO 4.2H2O, que não é tão solúvel e que ao fim de algum tempo precipita, por se ter dado a saturação da solução. Aquando da precipitação formam-se cristais que vão constituir um sistema rígido. Quanto mais água se emprega na amassadura maior é o tempo de presa, pois mais tempo leva a solução a ficar saturada, e portanto a cristalização faz-se mais tarde. Portanto:

> t. presa e endurecimento > A/G ⇒

< resistência mecânica > porosidade

A – massa de água de amassadura G – massa de gesso Em geral para o gesso de construção a amassadura é feito com uma quantidade de água de cerca de 0.6 a 0.75, verificando-se o princípio de presa entre 2 a 6 minutos e o fim de presa (gesso já sólido, consistente) de 15 a 30 minutos (Duriez, 1952).

8


Como exposto anteriormente, para aumentar o tempo de presa, pode-se utilizar uma quantidade maior de água de amassadura com os inconvenientes de se obter resistência mecânica inferior e maior porosidade. É possível retardar a presa sem aumentar a água, utilizando um retardador de presa (por exemplo gelatina, cola forte, cal apagada, água quente) e portanto aumentar a resistência e diminuir a porosidade.

2.2.3 Resistências Mecânicas A resistência mecânica do gesso após presa depende da quantidade de água embebida, isto é, presente na rede porosa e que não foi necessária para a formação de CaSO4.2H2O. Os cristais formados são solúveis na água pelo que se o gesso após presa é mantido num ambiente saturado praticamente não endurece. Se o gesso após presa é conservado num ambiente não saturado, vai endurecendo à medida que a água embebida se evapora e a resistência vai aumentando. Por exemplo ao ar livre para uma humidade relativa média, a resistência do gesso pode duplicar entre o 1º e o 7º dia após a amassadura. Mesmo depois de seco, a resistência à compressão pode reduzir a um quarto ou mesmo um sexto se for embebido em água (Duriez, 1952). Isto é, o gesso não resiste à humidade e acaba mesmo por apodrecer nessas condições, só se utilizando no exterior, em climas secos. Na Figura 3 apresentam-se os resultados

médios

de

ensaios

efectuados aos 28 dias em provetes secos e saturados da resistência à compressão e à tracção em função da água de amassadura.

Figura 3 – Resistências médias em provetes secos e saturados de gesso de construção, conservados 28 dias em ar seco.

9


As resistências aproximadas à compressão e tracção, de gesso de construção conservado 28 dias num ambiente com humidade relativa média são dadas no quadro seguinte (Duriez, 1952).

Gesso de construção fino Gesso de construção grosso

A/G 75% 60%

Resistência Resistência (MPa) à compressão à trac racção 4.5 1.5 5.5 1.2

A – massa de água de amassadura G – massa de gesso Repare-se que a resistência à compressão é cerca de três a quatro vezes superior à resistência à tracção. No betão o factor correspondente é cerca de dez. Repare-se também que no gesso, a resistência mecânica depende não só da água de amassadura, mas também do estado de embebição, isto é, da quantidade de água contida na rede porosa, como exposto anteriormente. No betão a resistência mecânica depende sobretudo da água de amassadura e não diminui com o aumento da água de embebição, pelo contrário, irá aumentar com a continuação do processo de hidratação do cimento.

2.2.4 Outras propriedades Como apontado anteriormente a principal desvantagem deste material é não resistir à humidade, em virtude ser dissolvido pela água. É apenas utilizado em ambientes eventualmente húmidos se protegido com uma pintura impermeável. No entanto apresenta uma série de vantagens e desvantagens que se resumem seguidamente: 

Económico. O gesso é um material económico devendo substituir o cimento sempre que possível. De facto, para fabricar 1 tonelada de cimento Portland são necessários cerca de 300 kg de carvão e para 1 tonelada de gesso são necessários cerca de 80 a 90.



Bom acabamento.



Bom isolamento Térmico e Acústico.



Resistência ao fogo. De facto a resistência ao fogo deste material é elevado pois no início, o calor é dispensado na desidratação do gesso. 10


Água Salgada. O gesso é cinco vezes mais solúvel em água do mar (ou água



com cloreto de magnésio) do que em água doce. Corrosão do ferro e aço. O gesso corrói o ferro e o aço pelo que não se podem



usar ferramentas e utensílios destes materiais, preferindo-se a utilização de ferramentas em latão, pregos ou parafusos com crómio, pregos ou parafusos e armaduras galvanizadas com zinco puro (por exemplo o zinco com 1 a 2% é atacado) e no caso de se aplicar gesso por exemplo em tectos, as armaduras têm de estar totalmente protegidas com argamassa (de cimento). Má aderência a superfícies lisas, sobretudo a madeira, pelo que se



desenvolveram desenvolveram no passado, técnicas apropriadas apropriadas para obviar este inconveniente: inconveniente: o estuque e o estafe.

2.2.5 Aplicações O estuque e o estafe são técnicas de aplicação de gesso que hoje não são utilizadas a não ser em obras de reabilitação.

Estuque – consiste no revestimento de paredes, tectos e outras superfícies rebocadas de estruturas de edifícios feito com pasta de gesso para estuque (gesso calcinado a cerca de 140 oC e misturada com cal ou outro retardador) e à qual se adicionaram outros materiais convenientes como por exemplo, gelatina ou cola forte. O estuque é colocado entre e sobre fasquias de madeira dispostas de modo a permitir melhor aderência – Figura 4.

fasquio gesso

fasquio Figura 4 – Aplicação de estuque (Sampaio, 1975).

Esta técnica caiu em desuso em virtude da falta de mão de obra e também devido às deformações sofridas pelas peças em madeira preferindo-se hoje o uso de gesso sob a forma de placas pré-fabricadas (NP 315 e Sampaio, 1975). 11


Estafe – Placas pré-fabricadas de 1 a 2 cm de espessura, constituídas por gesso, armadas com fibras vegetais (estopa, sisal, linho, etc.), dispersas que conferem maior resistência à flexão. Estas placas são aparafusadas aos barrotes intervalados de cerca de 1 metro. Os parafusos não podem ser de aço, como dito. As juntas das placas e remates são colmatadas com “linhada de gesso” fabricada no local e que consiste numa pasta de gesso armada com fios de linho ou sisal.

1 a 2cm

PARAFUSOS

PLACAS DE GESSO

BARROTE

Figura 5 – Placas pré-fabricadas formando o estafe (Sampaio, 1975).

Hoje em dia, existem vários tipos e marcas de gesso de construção – Figura 6, para executar trabalhos moldados em obra, pré-fabricados ou mesmo para base na formulação de colas ou massas.

Figura 6 – Gesso para construção vendido a saco.

Além do gesso de construção existe uma série de produtos aplicáveis na construção obtidos a partir do gesso tais como: • peças pré-fabricadas para decoração – Figura 7.

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Figura 7 – Produtos pré-fabricados de gesso, para decoração.

• Gesso Cartonado – placas de gesso prensado entre duas folhas de cartão. 

Exs: Pladur –Figura 8



Placoplatre Placoplatre – Figura 9

Figura 8 – Gesso cartonado Pladur.

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Figura 9 – Aplicação de gesso cartonado Placoplatre.

• Gesso prensado – placas de gesso gesso prensado Ex: Knauff Knauff – Figuras 10 e 11.

Figura 10 - Placas perfuradas Knauff entre as vigas de aço visíveis. Restaurantes no piso superior do Parlamento de Berlim (Reichstag).

Figura 11 - Tecto em gesso. Entrada principal da Embaixada alemã em Washington (proj. Arq. O.M. Ungers) Préfabricação e montagem na Alemanha.

Existem hoje um sem número de outros produtos aplicáveis na construção civil e que englobam o material gesso, tais como placas mistas, placas reforçadas com fibras celulósicas, celulósicas, etc..

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2.3 CAL AÉREA E CAL HIDRÁULICA 2.3.1 Introdução Um dos ligantes artificiais mais antigos é o ligante que resulta da cozedura dos calcários, constituídos constituídos sobretudo por CaCO 3, mais abundantes na natureza. Associada a estes existe sempre a argila, em maior ou menor quantidade, porque a precipitação do carbonato de cálcio em águas de grande tranquilidade arrasta consigo a argila que porventura esteja em suspensão. Obtém-se então o calcário margoso; quando a argila é em quantidade superior ao carbonato forma-se uma marga calcária . Assim, os calcários podem ser muito puros ou conterem quantidades quantidades variáveis de argila (Coutinho, 1988). Calcário

CaCO 3 ~ 100%

Calcário margoso

CaCO3 + argila (<50%)

Marga calcária

argila + CaCO 3 (<50%)

A cozedura do calcário puro dá origem ao óxido de cálcio, que constitui a cal aérea; a cozedura do calcário margoso dá origem às cais mais ou menos hidráulicas, conforme o teor de argila, e também aos cimentos naturais.

CaCO3 (quase puro)

800/900oC Cozedura em forno

CaCO3 com impurezas até 5% (argila, etc.) CaCO3 +

argila (8-20%)

CaCO3 +

argila (20-40%)

850oC 1000oC 1050-1300 oC

OCa + CO2↑ – 42,5 calorias Óxido de cálcio r. – endotérmica (cal viva) cal viva

cal aérea

cal ± hidráulica cimento natural

2.3.2 Cal aérea Quanto ao teor de impurezas, as cais aéreas dividem-se em gordas e magras. As cais aéreas gordas derivam de calcários quase puros com teores de carbonato não inferiores a 99% e são brancas. As cais aéreas magras (acinzentadas) derivam de

15


calcários com teores de argila e de outras impurezas compreendidos entre 1 e 5% (Coutinho, 1988). Chamam-se gordas às primeiras devido às suas propriedades plásticas, pois tratase de cais facilmente trabalháveis e bastante macias. As cais magras não são tão fáceis de trabalhar nem tão macias. A reacção de presa é a mesma para qualquer delas (Sampaio, 1975). Como o magnésio aparece muitas vezes associado ao cálcio, são frequentes na natureza calcários com maior ou menor percentagem de dolomite (MgCO 3) (Coutinho, 1988). Assim a cal aérea pode ser cálcica quando é sobretudo constituída por óxido de cálcio (CaO) ou dolomítica constituída sobretudo por óxido de cálcio e óxido de magnésio. Segundo a normalização europeia uma cal aérea cálcica designa-se por uma sigla que contém as letras CL e uma cal aérea dolomítica designa-se por uma sigla que contém as letras DL. O produto obtido pela cozedura dos calcários designa-se por cal viva (quicklime) que é sobretudo óxido de cálcio e que, por reacção com a água (extinção), fornece a cal

apagada ou extinta (hidrated lime) que é sobretudo hidróxido de cálcio - Ca(OH) 2. Segundo a normalização europeia uma cal viva designa-se por uma sigla que contém a letra Q e uma cal apagada designa-se por uma sigla que contém a letra S. A cal viva apresenta-se sob a forma de grãos de grandes dimensões com 10, 15 ou 20 cm – são as pedras (ou blocos) de cal viva (Bauer, 1992) ou sob a forma de pó. A cal viva é um produto sólido, de cor branca com grande avidez pela água. Isto é, para a obtenção e posterior aplicação do hidróxido de cálcio, Ca(OH) 2, é necessário proceder à hidratação da cal viva. A esta operação chama-se extinção da cal: CaO cal viva

+ H2O →

Ca(OH)2 + 15.5 cal. r. exotérmica cal apagada com expansão ou extinta A extinção pode fazer-se por dois processos: por imersão ou por aspersão.

A imersão corresponde à extinção da cal viva com excesso de água e é feita mergulhando os blocos de cal viva em água obtendo-se uma pasta – pasta de cal ou

pasta de cal apagada que endurece lentamente. De facto é um produto muito pouco poroso e permeável, com difícil e lenta recarbonatação que pode durar mais de 6 semanas, por vezes. Existem argamassas romanas que ainda se encontram moles no seu

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interior, devido a camada exterior de carbonato de cálcio não deixar penetrar o CO 2, impedindo assim a recarbonatação em zonas mais profundas (Sampaio, ( Sampaio, 1978). A aspersão consiste na extinção da cal viva com aspersão de água estritamente necessária à hidratação. Como se verifica expansão à medida que a cal se vai hidratando, o produto pulveriza-se (Sampaio, 1978). As cais extintas são portanto cais aéreas, principalmente constituídas por hidróxido de cálcio e, eventualmente, de magnésio que resultam da extinção da cal viva. As cais extintas não têm reacção exotérmica quando em contacto com a água. São produtos sob a forma de pó seco ou mistura aquosa (NP EN 459-1, 2002) (pasta de cal – lime putty, ou leitada de cal). Portanto, uma cal aérea é um ligante constituído sobretudo por óxidos de cálcio, CaO ou hidróxidos hidróxidos de cálcio, Ca(OH) Ca(OH) 2 que endurece lentamente ao ar por reacção r eacção com o dióxido de carbono. Em geral não endurece na água pois não possuem propriedades hidráulicas. Pode-se tratar de uma cal viva ou de uma cal apagada (NP EN 459-1, 2002).

2.3.3 Endurecimento da cal aérea Depois de aplicada, o endurecimento da cal aérea faz-se em duas fases. Numa primeira fase (presa inicial) dá-se a evaporação da humidade em excesso, ao fim da qual a cal está firme ao tacto mas ainda é marcável com a unha. Na segunda fase, a fase de recarbonatação, dá-se uma reacção química muito lenta, ao ar, (daí o nome de aérea), em que o hidróxido se reconverte em carbonato de cálcio por recombinação com o dióxido de carbono (CO 2). A velocidade desta fase de recarbonatação depende da temperatura, da estrutura porosa e da humidade da pasta podendo demorar anos a completar-se: Ca(OH)2

+

CO2

→

CaCO3

+

H2O

+

42,5 cal.

r. exotérmica e expansiva

A pasta de cal ao secar retrai e fissura. Para evitar a retracção de secagem emprega-se areia nas argamassas de cal. Os grãos de areia “dividem” o material em pequenas “fracções” localizadas localizadas que arejam a argamassa, permitindo a sua carbonatação ao mesmo tempo que se dá a secagem. A areia utilizada deve ser siliciosa ou calcária, bem limpa, isenta de matérias húmicas e de argila.

17


2.3.4 Aplicações da cal aérea Repare-se que o hidróxido de cálcio (Ca(OH) 2) é solúvel na água (1,3g/l) e ainda mais na água salgada. Portanto, além de não ganhar presa nem endurecer em água, é ainda mais solúvel em água salgada, pelo que não pode ser usado em obras hidráulicas nem marítimas. Até há cerca de 200 anos (quando apareceu a cal hidráulica) o ligante usado em todas as construções era a cal. Hoje ainda é utilizada por exemplo no fabrico de blocos sílico-calcários, sílico-calcá rios, misturada com gesso, no fabrico de estuques, misturada com pozolanas constituindo ligantes hidráulicos, misturada com cimento ou cal hidráulica em argamassas para reboco e ainda sob a forma de leitada na caiação de muros. (Note-se que terá vantagem na caiação utilizar areia, para que não se verifique microfissuração e também tornar o produto mais económico). (Sampaio 1975; Coutinho, 1988; Bauer, 1992; Moreira, 1998).

2.3.5 Cal hidráulica Como indicado anteriormente a pedra calcária (CaCO 3) que contenha de 8 a 20% de argila, se tratada termicamente a cerca de 1000 oC, dá origem a cal hidráulica que é um produto que endurece tanto na água como no ar. A cal hidráulica é constituída por silicatos (SiO 2 . 2CaO) e aluminatos de cálcio (Al2O3 . CaO) que hidratando-se endurecem na água ou ao ar e também por óxido de cálcio (CaO) – pelo menos 3%, que continua livre e que vai endurecer por carbonatação. argila 1000/1100 oC cal hidráulica (8-20%) A preparação da cal hidráulica é feita em fornos, verificando-se verificando- se as seguintes CaCO3

+

fases: 500 a 700 oC ______ desidratação desidratação da argila 850oC

______ decomposição do calcário

CaCO3 → CaO + CO2↑ 1000– 1100oC______ Reacção da sílica e alumina da argila com o óxido de cálcio, originando silicatos e aluminatos SiO2 + CaO → silicato de cálcio (SiO 2 . 2CaO) Al2O3 + CaO → aluminato de cálcio (Al 2O3 . 3CaO)

18


Repare-se que se a temperatura de cozedura for mais alta (até 1500 oC) e a percentagem de argila (sílica e alumina) for maior a reacção é mais completa, isto é a quantidade de silicatos e aluminatos de cálcio é maior, diminuindo a quantidade de óxido de cálcio livre e no extremo as reacções serão semelhantes às que se passam no fabrico do cimento. Portanto, a cerca de 1000 oC a reacção é parcial e os produtos formados são uma mistura de silicatos e aluminatos de cálcio com óxido de cálcio livre. Depois da saída do forno obtém-se pedaços de várias dimensões constituídos pela mistura de silicatos e aluminatos de cálcio e cal livre (mais de 3%, em regra cerca de 10%) e ainda um pó inerte que é silicato bicálcico formado por pulverização durante o arrefecimento (657 oC). Este pó amassado com água não aquece nem ganha presa. A cal retirada do forno deve ser extinta, não só com o fim de eliminar a cal viva, mas muito especialmente para provocar a pulverização de toda a cal hidráulica. É este fenómeno que distingue a cal hidráulica do cimento Portland: a finura da cal hidráulica é parcialmente obtida por extinção da cal viva e não por moagem. A extinção deve ser feita com certa precaução pois só se deve adicionar apenas a água estritamente necessária para hidratar a cal viva; é a reacção expansiva desta (dobra de volume, sensivelmente) que se aproveita para pulverizar os grãos que contêm os aluminatos e silicatos; a água em excesso iria hidratá-los. A cal viva precisa ser completamente extinta, antes de se utilizar a cal hidráulica na construção. A extinção é realizada lentamente a temperaturas entre 130 e 400 oC e após a extinção obtém-se: Pó

silicatos e aluminatos de cálcio hidróxido de cálcio (Ca(OH) 2) – cal apagada, extinta

Grappiers Os grappiers são grãos de material sobreaquecido com verdadeiras características de cimento, mais escuros e duros e ricos em silicatos bicálcicos. Assim, após a extinção é necessário separar os grappiers do pó e proceder à sua moagem.

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Em geral a separação é feita em peneiros circulares rotativos constituídos por tambores perfurados concêntricos sendo o tambor interior de malha com mais abertura para permitir a passagem dos grappiers – Figura 12.

Figura 12 - Peneiração da cal hidráulica para separação separação dos grappiers (Sampaio, 1975)

Finalmente, após a moagem dos grappiers o pó resultante é adicionado ao pó de silicatos e aluminatos de cálcio e hidróxido de cálcio formando cal hidráulica. Pode ser conveniente juntar ainda materiais pozolânicos moídos. (Sampaio, 1975; Coutinho, 1988).

2.3.6 Presa e endurecimento da cal hidráulica O endurecimento da cal hidráulica compreende duas reacções. Na primeira reacção dá-se a hidratação dos silicatos e aluminatos de cálcio, quer na água quer no ar. Na segunda reacção dá-se a recarbonatação da cal apagada, só ao ar e em presença do dióxido de carbono.

2.3.7 Algumas propriedades e aplicações de cal hidráulica A massa volúmica média da cal hidráulica é cerca de 2,75 g/cm 3, mais baixa do que a do cimento e a sua baridade toma valores entre 0,6 e 0,8 g/cm 3. A sua cor é a cor parda do cimento. Como a cal hidráulica é muito semelhante ao cimento (cor), pode prestar-se a falsificações, o que muitas vezes tem consequências desastrosas, porque a cal hidráulica tem menor resistência que o cimento. Utiliza-se a cal hidráulica em aplicações idênticas às do cimento, que não exijam resistências mecânicas mecânicas elevadas como em argamassas (pobres): Argamassa de revestimento 20


Argamassas para reboco de paredes Argamassas para alvenaria etc. Note-se que a existência de cal nestas argamassas (pobres) pode ser um problema, já que existe sempre uma parte de CaO que não desaparece completamente e que ao extinguir-se dá origem a expansões. (Sampaio, 1978; Coutinho, 1988; Moreira, 1998).

2.3.8 Fabrico de cal As cais aérea e hidráulica podem ser produzidas em vários tipos diferentes de fornos. Dão-se exemplos nas Figuras 13 e14.

Figura 13 – Forno vertical, a carvão, para cal.

A Figura 13 apresenta o esquema de um forno contínuo vertical, que utiliza combustível de chama curta – carvão. Consta de duas câmaras sobrepostas, sendo o calcário alimentado por uma abertura junto à chaminé superior e o combustível introduzido no estrangulamento estrangulamento entre as duas câmaras onde se processa a combustão. O arrefecimento do material dá-se na câmara inferior, onde o ar necessário à combustão é aquecido, com melhoria evidente em termos de rendimento térmico. O material calcinado é extraído pela parte inferior da câmara de arrefecimento (Bauer, 1992).

21


Figura 14 - Forno rotativo de eixo horizontal.

Os fornos rotativos, constituídos por um cilindro metálico internamente revestido de material refractário, giram lentamente sobre um eixo ligeiramente inclinado, recebendo o calcário pela sua boca superior e tendo o maçarico de aquecimento na sua boca inferior, por onde também é retirado r etirado o material calcinado calcinado – Figura 14.

2.3.9 Comercialização de cais Existem cais comercializadas comercializa das fornecidas em saco, a granel ou ainda, no caso de misturas aquosas (cais aéreas extintas) em recipientes apropriados – Figura 15.

Figura 15 - Alguns exemplos de cais comercializadas.

2.3.10 Normalização A norma europeia referente às cais é constituída por 3 partes e foi publicada entre nós em 2002: NP EN 459-1 (2002). Cal de construção Parte 1: Definições, especificações e critérios de conformidade.

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NP EN 459-2 (2002). Cal de construção Parte 2: Métodos de ensaio. NP EN 459-3 (2002). Cal de construção Parte 3: Avaliação da conformidade.

Da parte 1 transcreve-se o quadro e notas, em itálico, itálico, da Figura 16, relativamente relativamente á composição química.

Valores expressos em % de massa o ã u r t s n o c e d s i a C

Ti Tipo po

cal cálcica CL

cal aérea L

cal dolomítica DL

cal viva cal hidratada cal viva cal hidratada

cal hidraúlica HL

CaO CaO +MgO +MgO MgO MgO

CO2

SO3

Cal livre

≤ 52) ≤ 52) ≤5 ≥ 30 ≥ 5

≤ 4

≤ 2

-

≤ 7 7

≤ 2

-

≤ 12 12

≤ 2

-

≤ 7 7

≤ 2

-

≤ 7 7

≤ 2

-

-

-

≤ 3

-

-

≤ 3

-

-

≤ 3

CL 90

≥ 90

CL 80

≥ 80

CL 70

≥ 70

DL 85

≥ 85

DL 80

≥ 80

HL 2

HL 3,5

HL 5

NHL 2

-

-

2)

≥ 8

2)

≥ 6

2)

≥ 3

1)

≥ 15

1)

≥ 9

1)

≥ 3

- 3 ≤ ≤

NHL 3,5

-

-

-≤ 3

NHL 5

-

-

- 3 ≤ ≤

1)

Teores de SO 3 superiores a 3% e até 7% são tolerados, se a expansibilidade for confirmada aos 28 dias com cura em água seguindo o ensaio preconizado na EN 196-2;

2)

Teores de MgO até 7% são tolerados, se a cal satisfizer o ensaio de expansibilidade indicado na EN 459-2.

Nota: Os valores aplicam-se a todos os tipo de cal. Para cal viva estes valores correspondem aos da condição “como entregue”; para todos os outros tipos de cal (cal hidratada, pasta de cal e cais hidráulicas) os valores baseiam-se no produto isento não só da água livre como também de água combinada.

Figura 16 – Classificação das cais de construção de acordo com a normalização europeia.

A classificação das cais de construção, preconizada na normalização europeia, baseia-se na composição química para as cais aéreas, cálcicas (CL) e dolomíticas (DL) e na resistência á compressão, para as cais hidráulicas (HL). Para as cais aéreas a sigla é constituída por CL ou DL, seguida de um número que indica a percentagem mínima de óxido de cálcio e óxido de magnésio que a cal contém, de acordo com o quadro da figura anterior.

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Nas cais hidráulicas a sigla é constituída por HL ou NHL, seguida do valor 2, 3,5 ou 5 conforme a classe de resistência e de acordo com o Quadro 1. Uma cal hidráulica (HL) é, segundo a normalização europeia, um ligante constituído sobretudo por hidróxido de cálcio, silicatos e aluminatos de cálcio, produzido pela mistura de materiais adequados e que tem a propriedade de ganhar presa e endurecer em água. O dióxido de carbono atmosférico também contribui para o processo de endurecimento. Uma cal hidráulica natural (NHL) é uma cal produzida pela calcinação de calcários mais ou menos argilosos ou siliciosos e posterior redução a pó por extinção com ou sem moagem. Todos os tipos de cal hidráulica natural tem a propriedade de ganhar presa e endurecer em água e o dióxido de carbono atmosférico contribui também para o processo de endurecimento. Quadro 1 – Resistência á compressão de cal hidráulica e cal hidráulica natural (NP EN 459-2)

Tipos de cais de construção

Resistência Resistência à compressão MPa 7 dias 28 dias HL e NHL2 ≥2 a ≤ 7 HL 3,5 and NHL 3,5 ≥3,5 a ≤ 10 ≥2 ≥5 a ≤ 15ª HL 5 and NHL 5 3 HL 5 e NHL 5 com baridade inferior a 0,90kg/dm , é permitia uma resistência até 20 MPa. Nota: Sabe-se que argamassas com ligantes cálcicos adquirem resistência que aumenta lentamente com a carbonatação. Nas Figuras 17 e 18 apresentam-se fichas técnicas de cal hidráulica comercializada comercializada em Portugal.

Cal Hidráulica Natural

NHL 5

NP EN 459-1

0856

Constituintes Calcário margoso cozido com extinção e moagem Sulfato de cálcio regulador de presa

24


Características • Químicas Sulfatos (SO3) < 3,0% Cal livre > 3% • Físicas Início de presa (min) > 60 Expansibilidade (mm) < 20 Resíduo a 0,090 mm < 15% Baridade (g/l) > 600 • Mecânicas Resistência à compressão - Valores mínimos 7 dias: 2,0 MPa 28 dias: 5,0 MPa Propriedades especiais das argamassas fabricadas com cal hidráulica do Cabo Mondego • Grande plasticidade e elevada trabalhabilidade • Forte aderência • Grande poder de retenção de água, opondo-se à retracção inicial • Fraca tendência para a fissuração e fendilhamento • Boa impermeabilidade e durabilidade Utilizações recomendada recomendadas s • Argamassas de todos os tipos (enchimen (enchimento, to, reboco, assentamento e acabamento). • Pré-fabricação (misturada com cimento) Blocos de alvenaria e abobadilha. Artefactos. • Pavimentos rodoviários. Na substituição do filer dos betuminosos. No tratamento de solos húmidos e argilosos. • Em trabalhos diversificados no meio rural. Precauções na aplicação • Na dosificação e na relação água/ligante. • No processo de cura da argamassa fresca, assegurar uma protecção cuidadosa contra a dessecação, principalmente em tempo quente. • Preparar adequadamente o suporte para receber a argamassa. Contra-indicações

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• Trabalhos sob temperaturas muito baixas. • Contacto com ambientes agressivos (águas e terrenos). Acondicionamento

Saco 40 Kg

Palete de tara perdida 30 Sacos • 1200 Kg

Palete a devolver 40 Sacos • 1600 Kg

Granel 25 toneladas Camião de 25 toneladas com meios de descarga, devidamente selado.

Figura 17 – Ficha técnica de cal hidráulica HL5 (Cimpor).

26


Figura 18 – Ficha técnica de cal hidráulica HL5, Martingança (Secil).

27


3. CIMENTOS 3.1 INTRODUÇÃO Em geral são consideradas duas abordagens para classificar cimentos, uma em relação à composição e a outra relativa às propriedades correspondentes ao desempenho dos cimentos (Jackson, 1998). Na área de construção e engenharia civil tem sobretudo interesse os cimentos hidráulicos calcários - isto é, os cimentos hidráulicos em que os principais constituintes são compostos de cálcio. De facto estes cimentos são constituídos sobretudo por silicatos e aluminatos de cálcio e de um modo geral podem-se classificar em: - cimentos naturais - cimentos Portland - cimentos aluminosos (high-alumina) (Neville, 1995). Muitos países da Europa tais como Áustria, Dinamarca, Finlândia, França, Alemanha, Grécia, Islândia, Irlanda, Itália, Luxemburgo, Holanda, Noruega, Espanha, Suécia, Suíça, Reino Unido e Portugal tem desenvolvido normas relativas aos cimentos, de que se destacam algumas:

CIMENTOS CORRENTES: EN 197 - 1 (June 2000) Cement - Part 1: Composition, specifications and conformity criteria for common cements. (Harmonizada) Amendment EN 197-1:2000/A1:2004 197-1:2000/A1:2004 (Inclui na EN 197-1 os cimentos correntes de baixo calor de hidratação) Amendment EN197-1:2000/prA2:2006 EN197-1:2000/prA2:2006 (Inclui na En 197-1 os cimentos correntes resistentes aos sulfatos)

NP EN 197-1 (2001) Cimentos – Part 1: Composição, especificações e critérios de comformidade. (Harmonizada) Aditamento NP EN 197-1:2000/A1:2005 (Inclui os cimentos correntes de baixo calor de hidratação) EN 197 - 2 (June 2000) Cement - Part 2: Conformity evaluation. NP EN 197-2 (2001) Cimentos – Part 2: Critérios de conformidade . EN 197 -4 (April 2004) Cement - Part 4: Composition, specifications specifications and conformity criteria for low early strength blastfurnace cements. cements. (Harmonizada)

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NP EN 197-4 (2005) Cimento. Parte 4: Composição, especificações especificações e critérios de conformidade para cimentos de alto-forno de baixas resistências iniciais (Harmonizada) Em Portugal tem interesse referir ainda, uma norma relativa ao cimento branco e uma outra sobre as condições de fornecimento e recepção de cimentos:

NP 4326 (1996) Cimentos brancos. Composição, tipos, características e verificação da conformidade . Note-se que as normas europeias consideram os cimentos brancos como correntes e portanto incluídos na EN 197.

NP 4435 (2004) Cimentos. Condições de fornecimento e recepção .

A ASTM - American Society for Testing and Materials também tem contribuído largamente para a classificação dos cimentos sobretudo através das normas: C 150 - 95 - Standard Specification for Portland Cement C 595 M - 95 - Standard Specification Specification for Blended Hydraulic Cements.

CIMENTO DE ALVENARIA: EN 413 – 1 (2004) Masonry cements–Part 1: Specifications. Specifications. (Harmonizada) NP EN 413-1 (2005) Cimento de alvenaria. Parte 1: Composição, especificações e critérios de conformidade. (Harmonizada) prEN 413-2 (2005). Masonry cements-Part 2: Test methods

CIMENTO ESPECIAIS: EN 14216 (2004).Cement – Composition, specifications and conformity criteria for very low heat special cements. (Harmonizada) NP EN 14216 (2005) Cimento - Composição, especificações especificações e critérios de conformidade para cimentos especiais de muito baixo calor de hidratação. (Harmonizada)

OUTROS LIGANTES: 6 Note-se que existem normas referentes a outros ligantes hidráulicos como, por exemplo, os ligantes hidráulicos para construção rodoviária constituídos por misturas produzidas em fábrica e prontas a usar por adição com água (EN 13282) ou, outro caso, como os ligantes hidráulicos para construção (HBC) que contêm pelo menos 20% de clínquer Portland e também cal utilizados, por exemplo, em argamassas para alvenaria não estrutural (EN 15368).

29


3.2 DEFINIÇÃO Segundo a normalização europeia (EN 197 - 1): CIMENTO é um ligante hidráulico, isto é, um material inorgânico finamente moído que, quando misturado com água forma uma pasta que ganha presa e endurece por reacções e processos de hidratação e que, depois de endurecida, conserva a sua capacidade resistente e estabilidade mesmo debaixo de água. Um cimento que esteja de acordo com esta norma europeia é designado por cimento CEM e se for devidamente misturado com água e agregados, é possível obter-se betão ou argamassa: - que conserva trabalhabilidade adequada durante um período de tempo suficiente - que, a determinadas idades atinge níveis de resistência especificados -e que apresenta estabilidade volumétrica a longo prazo.

O endurecimento de cimentos CEM é sobretudo devido à hidratação de SILICATOS de CÁLCIO embora outros compostos, tais como os ALUMINATOS, possam intervir no endurecimento. Nestes cimentos, a soma da quantidade de ÓXIDO de CÁLCIO reactivo (CaO) e SILICA reactiva (SiO 2), em massa, é pelo menos 50% (NP EN 197-1). Fisicamente são constituídos por pequenos grãos de materiais diferentes mas a composição é estatisticamente homogénea. A uniformidade relativa a todas as propriedades destes cimentos é obtida por processos contínuos de produção em massa que incluem moagem e homogeneização adequadas. A qualidade do produto final nas fábricas modernas de cimentos CEM é conseguida por pessoal especializado e qualificado e laboratórios adequadamente equipados que contribuem para o controlo e ajuste contínuo nas linhas de produção. Isto é, o processo de fabrico e o controle de qualidade asseguram portanto que os cimentos apresentem uma composição dentro dos limites fixados pelas normas europeias (Jackson, ( Jackson, 1998).

3.3 COMPOSIÇÃO DA MATÉRIA PRIMA O cimento Portland artificial é obtido a partir de uma mistura devidamente proporcionada de calcário ou cré (carbonato de cálcio), argila ou xisto argiloso (silicatos 30


de alumínio e ferro) ou a partir de margas ou calcários margosos (margas - mistura de materiais calcários e argilosos) e, eventualmente, outra ou outras substâncias apropriadas ricas em sílica, alumina ou ferro, reduzida a pó muito fino, que se sujeita à acção de temperaturas da ordem de 1450 oC, obtidas geralmente em grandes fornos rotativos. A mistura é muito bem homogeneizada e bem dispersa, quer a seco (fabricação do cimento por via seca) quer por meio de água (fabricação por via húmida). Àquelas temperaturas as matérias - primas reagem entre si, no que são ajudadas pela fase líquida obtida pela fusão de cerca de 20% da matéria – prima (clinquerização), (clinquerização), originando novos compostos. Em virtude destes fenómenos químicos e físicos, os produtos da reacção, ao arrefecerem, aglomeram-se em pedaços com dimensões variáveis mas geralmente entre 2 mm e 20 mm, chamados clínquer (Sousa Coutinho, 1988, Neville, 1995). Os duros nódulos de clínquer são depois arrefecidos e moídos simultaneamente com uma pequena percentagem de gesso até se obter uma granulometria muito fina. Assim, a definição de cimento Portland nas várias normas dos diferentes países é considerada, nestes termos, reconhecendo que o gesso é adicionado após a calcinação (Neville, 1995). Hoje em dia outros materiais podem ser adicionados em diferentes proporções quer nos Centros de Produção de Cimento (originando cimentos de várias designações como o cimento Portland composto, cimento de alto forno, etc.) quer na amassadura do próprio betão.

3.4 FABRICO 3.4.1 Considerações Gerais Como cerca de 70 a 80% da matéria - prima é calcário em geral uma fábrica de cimento situa-se junto de uma formação calcária. As fases de fabrico são as seguintes:

1. Preparação do cru   

extracção do calcário (1,5 a 2 m) britagem (cm) pré-homogeneização pré-homogeneização - formação de pilha de armazenamento com calcária + ±25%argila). argila e remoção por cortes verticais (±75% brita calcária

31

Materiais de Construção 2 – 1ª Parte 2006 Joana de Sousa Coutinho 

moagem e homogeneização homogeneizaç ão

via seca via húmida



correcção com aditivos (calcário, sílica, ferro ou alumina)

2. Cozedura   

armazenamento armazenamento nos silos alimentadores do forno pré-aquecimento entrada no forno rotativo

3. Arrefecimento, adição de gesso e moagem 4. Ensilagem e Ensacagem Descreve-se em seguida cada uma destas fases.

3.4.2 Preparação do cru A pedreira é explorada em grandes massas: blocos com dimensão máxima de 1,5 a 2 m são extraídos e transportados para um britador que os reduz a pequenos blocos com alguns centímetros. O material britado é transportado para uma pilha de armazenamento ao mesmo tempo que recebe já a adição da argila (sensivelmente 25% de argila e 75% de brita calcária). Enquanto a mistura é depositada em camadas horizontais, a sua remoção para os silos alimentadores dos moinhos de bolas é feita por meio de cortes verticais na pilha de armazenamento. Estes procedimentos procedimentos consistem na Pré-homogeneização. Há dois processos de fabrico do cimento: um em que a matéria prima é moída e homogeneizada dentro de água (via húmida) e outro em que a moedura e homogeneização homogeneização se realizam a seco (via seca). A primeira é a mais antiga e a mais eficaz para obter homogeneização de materiais sólidos. Hoje está caindo em desuso pois requer maior consumo de energia, por ser necessário eliminar a água do cru, por aquecimento. Devido à actual crise de energia está sendo substituída por via seca que se tornou possível graças às técnicas de fluidificação gasosa. As reacções químicas promovidas pela acção da temperatura entre os componentes da matéria - prima são essencialmente reacções no estado sólido.

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Para activar as reacções entre fases sólidas, devido à lenta difusão dos átomos e moléculas nos sólidos, é necessário elevar a temperatura e a área das superfícies dos reagentes. A velocidade da reacção entre fases sólidas é portanto função do grau de finura, da natureza química dos materiais e da duração do aquecimento. As reacções em fase líquida são muito mais rápidas e os produtos da reacção só dependem da temperatura e da composição química das fases líquidas. Daqui resulta a importância da preparação das matérias - primas para o cimento: finura da moagem, homogeneidade e proporção da fase líquida à temperatura de cozedura (cerca de 20%). A matéria - prima depois de moída é levada a silos ou tanques de homogeneização (respectivamente na via seca e na húmida) onde é sujeita a análise química - hoje automática e instantânea, por meio dos raios X, com ligação a um computador que calcula as correcções correcçõe s a fazer e comanda os silos de aditivos, correctores, em calcário, sílica, ferro ou alumina (ver 3.5). Após esta correcção, o cru entra para os silos alimentadores do forno ( adaptado de Coutinho, 1988).

3.4.3 Cozedura em forno rotativo Antigamente - e ainda hoje (no estrangeiro) nas fábricas de pequena produção (Até 500 t/dia) - o forno é vertical (shaft kilns) mas após a invenção do forno rotativo este tem sido usado cada vez mais, com uma produção até 8000 t/dia e um produto final mais homogéneo (Coutinho, 1988; Jackson, 1998). O forno rotativo, constituído por um cilindro de chapa de aço com diâmetro que pode atingir 7,6 m e comprimento até 232 m (Alhandra) é revestido inteiramente com material refractário. O cilindro assenta sobre roletes que o fazem girar e tem uma inclinação de 2 a 6%. O movimento de rotação (1 – 3.5 rotações/min.) e a inclinação provocam o avanço dos materiais no interior do forno. No extremo inferior introduz-se o combustível e o respectivo ar comburente, depois de ter sido aquecido no arrefecedor do clínquer. Para obter a temperatura de clinquerização, temperatura de fusão das fases aluminatos e ferratos, é necessário recorrer à combustão de carvão ou de fuel - oil. Na

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década de 50 o carvão foi sendo gradualmente substituído pelo fuel, de tal modo que, por volta de 1970, os fornos eram aquecidos somente a fuel. A partir de 1973, com o início da crise do petróleo começou-se a voltar de novo ao carvão, ou pelo menos a empregar sistemas mistos de queima de carvão com fuel e a partir dos anos oitenta usase sobretudo carvão e coque de petróleo e também gás natural (Coutinho, 1988, Jackson, 1998). O carvão seco é reduzido a pó e injectado na parte inferior do forno com uma parte do ar (ar primário); o restante ar comburente (ar secundário) é introduzido no forno depois de ter sido aquecido no arrefecedor do clínquer (Coutinho, 1988). É possível utilizar resíduos como combustível, de forma limpa e eficaz em termos ambientais, como demonstrado em experiências efectuadas em vários pontos do mundo com diferentes produtos, tais como pneus usados, lixos domésticos e sedimentos de efluentes de esgoto (BCA, 1992). Quando se queima carvão há que ter em conta a composição química das suas cinzas, que vão modificar a do cru; a composição deste é portanto calculada para receber a sílica, alumina, ferro, etc., que as cinzas eventualmente possuem. O fuel - oil contém geralmente enxofre, assim como diversos carvões com altos teores de enxofre e é este elemento, vai introduzir sulfuretos e especialmente sulfatos, no cimento. (Coutinho, 1988; BCA, 1992). Em termos ambientais os carvões com altos teores de enxofre não provocam emissões poluentes pois o enxofre fica retido no clínquer (BCA, 1992; Neville, 1995). Para se alcançar a temperatura de clinquerização (1400 - 1450 oC) é necessário obter uma chama com temperatura da ordem de 1700 oC. Em termos de consumo de carvão utilizam-se cerca de 220 kg para produção de 1 tonelada de cimento e quando se utilizava fuel-oil, que caiu em desuso nos anos oitenta, eram necessários cerca de 125 litros (Neville, 1995). A alimentação do forno pode ser realizada de quatro formas: pela entrada directa da farinha (via seca), da pasta de cru (via húmida 35 a 50% de água), da farinha humedecida com água, até 13%, aglomerado em grânulos (via semi-seca) e em pasta dissecada por meio de uma compressão e filtragem (via semi-húmida que reduz a humidade a menos de 20%).

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O forno rotativo é adaptado a estes estados da matéria prima, e a sua construção visa sempre o aproveitamento do calor transportado nos fumos provenientes da cozedura ou clinquerização, para secar a aquecer a matéria - prima a caminho da cozedura. Assim, a clinquerização em via húmida emprega fornos rotativos longos, (230 m) equipados com por exemplo, grinaldas de cadeias internas, (correntes que absorvem o calor dos gases em movimento, e o transmitem por condução para a pasta) com o fim de reaproveitar energia e demorar o mais possível a progressão da pasta, obrigando-a primeiro a secar; a cozedura em via semi-húmida utiliza fornos mais curtos e precedidos de pré-aquecedores verticais, horizontais (tambores rotativos), etc., onde o teor de água da pasta desce para 10 a 15% (Coutinho, 1988, Jackson, 1998). Na via semi-seca empregam-se secadores de grelha móvel, onde os grânulos de cru (de farinha humedecida com água), aglomerados, se depositam e através dos quais circulam os gases quentes de combustão. Finalmente, na via seca empregam-se hoje nas fábricas de maior produção, préaquecedores de ciclones que foi talvez o maior desenvolvimento, em termos de redução de consumo de energia na produção do cimento, dos quais o mais importante é o Dopol - Figura 19 (Coutinho, ( Coutinho, 1988; Jackson, Jackson, 1998). Os gases provenientes do forno são aspirados, entrando pela parte inferior, enquanto o cru entra pela parte superior, descendo através dos ciclones, onde os gases provocam a sua agitação e dispersão, até entrar no forno. A permuta de calor neste sistema é então obtida por fluidificação do cru no seio dos gases quentes, de modo que cada partícula fica em contacto com os gases, adquirindo a sua temperatura em uma fracção de segundo. Os gases saem a cerca de 50 a 70oC (temperatura a que vai entrar a matéria prima) e o cru sai do recuperador entrando no forno a cerca de 800 a 900 oC. Com estes pré-aquecedores consegue-se recuperar cerca de 82% do calor dos gases de combustão que saem do forno. O

inconveniente deste sistema é, como veremos mais à frente, o enriquecimento do clínquer em álcalis e sulfatos (Coutinho, (Coutinho, 1988).

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Figura 19 - Esquema de um pré-aquecedor Dopol. Os gases quentes provenientes do forno, A, são aspirados saindo por C, para captação e aproveitamento do pó. A alimentação do cru é feita em B; este desce até aos dois primeiros ciclones paralelos, 4, depois aos outros dois, 3, entrando em seguida na câmara de recolha, 2 donde passa para os dois primeiros ciclones paralelos, 1 (Coutinho,1988).

Na Figura 20 vê-se a fotografia de parte do forno e parte da Torre de Ciclones numa fábrica de produção de cimentos em Portugal.

Figura 20 – Parte do forno e parte de Torre de Ciclones (Cimpor).

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3.4.4 Arrefecimento do clínquer. Moagem À saída do forno o clínquer deve ser arrefecido rapidamente, pois o silicato tricálcico é instável a temperaturas inferiores a 1250 oC; há portanto que conservar a sua estrutura, arrefecendo-o rapidamente desde temperaturas superiores àquela até à ambiente. O silicato bicálcico apresenta as formas β e γ; a forma β é estável desde a temperatura de formação (1200 oC) até 675oC. Abaixo desta temperatura o silicato bicálcico β transforma-se em γ, forma em que é praticamente inerte. Por isso também é necessário evitar a formação do silicato bicálcico γ, arrefecendo rapidamente o silicato desde 1200oC até à temperatura ambiente. Há também toda a vantagem em evitar que a fase líquida cristalize pois a reactividade do aluminato de cálcio diminui e o óxido de magnésio poderá cristalizar em grandes cristais (periclase), o que provoca a instabilidade e a expansibilidade do volume da pasta de cimento endurecido (ver 3.7.6.2). Para efectuar o arrefecimento, há diferentes dispositivos dos quais o mais corrente é o planetário constituído por vários tubos arrefecedores que envolvem o forno. O clínquer é arrefecido pelo ar (comburente) que em contracorrente o atravessa, chegando quente à zona de combustão. Após a saída do arrefecedor, a cerca de 125-180 oC o clínquer é armazenado, terminando o seu arrefecimento com aspecto negro e duro – Figura 21, entrando depois nos moinhos de bolas, onde é moído, juntamente com adjuvantes, para facilitar a moagem, com aditivos – gesso (3 a 5%) – para lhe regular o tempo de presa, e outros, para lhe modificar as propriedades como a pozolana, a escória de alto-forno, etc. (Coutinho, 1988; Neville, 1998). Modernamente, e ainda como resultado da crise energética e por razões ambientais, os aditivos podem ser inertes, em proporção tal que não comprometam as propriedades do cimento (em geral até 10 ou 15%). A moagem efectua-se em moinho de bolas idêntico aos da preparação do cru, numa operação que consome cerca de 40% da energia total do fabrico do cimento. A característica característica que se obtém, a finura, é tão importante como a composição química .

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Figura 21 – Clínquer à saída do arrefecedor.

Os elementos finos produzidos por moagem tendem a diminuir muito rapidamente o rendimento desta operação. O aparecimento de elementos finos, embora desejado, aumenta a compacidade da mistura do clínquer com as bolas, diminuindo a eficácia destas. É por isso necessário eliminá-los o mais rapidamente possível, à medida que se vão formando. Para a solução deste caso há dois tipos de moedura: em circuito aberto e em circuito fechado (Coutinho, 1988). Na moagem em circuito aberto o clínquer, juntamente com o gesso, é introduzido no moinho que tem três compartimentos com bolas de aço de diâmetro sucessivamente menor, desde 60 a 80 mm no primeiro compartimento (em 1/6 do comprimento do moinho) passando por um compartimento intermédio com bolas de 30 a 50 mm até diâmetros de 15 a 25 mm no último (com metade do comprimento); actualmente, no último compartimento usam-se corpos moentes cilíndricos (cylpebs) em vez de bolas, com 4 a 8 mm de diâmetro (Coutinho, 1988). 1988). Na moagem em circuito fechado, os finos vão sendo extraídos do moinho à medida que se vão produzindo. Uma corrente de ar atravessa o moinho, da entrada para a saída, arrastando as partículas mais finas, para um separador, onde são classificadas:

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as finas vão para os silos de armazenamento, e as mais grossas voltam ao moinho (Coutinho, 1988). Para ajudar a moagem usam-se adjuvantes que se adicionam ao clínquer durante esta operação promovendo a dispersão das partículas de cimento: 0,01 a 0,1% da massa do clínquer em aminas ou sais de aminas, poliois, linhossulfitos ou ácidos orgânicos fracos que não são decompostos às temperaturas de moagem. Estes adjuvantes diminuem o consumo de energia de 10% a 15% e não têm qualquer acção sobre a qualidade do cimento. Evitam o revestimento das bolas, das paredes do moinho e a formação de agregados de partículas grossas com finas, aumentando o rendimento do separador de fluxo de ar (Coutinho, 1988). Dos moinhos de bolas, o cimento passa para grandes silos, onde é homogeneizado e daí distribuído, a granel ou em sacos (Coutinho, 1988). A Figura 22 - representa o diagrama de produção (via seca) numa central moderna.

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Figura 22 – Produção de cimento (via seca) (Cimpor)

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3.5 PRINCIPAIS COMPONENTES DO CRÚ E DO CLÍNQUER PORTLAND 3.5.1 Considerações gerais Os componentes da matéria prima sujeitos à acção da temperatura vão sofrendo uma série de reacções químicas e vão-se transformando em compostos diversos como esquematizado esquematizado no diagrama da Figura 23 (Jackson, 1998).

CaCO3

CALCÁRIO sílica SiO2 Al2O3 H2O

óxidos de ferro

Fe2O3

ARGILA

Figura 23 – Esquema das transformações sofridas pelo cru até se transformar em clínquer (Jackson, 1998).

3.5.2 Componentes da matéria prima Neste diagrama tem-se à esquerda a composição da matéria prima obtida pela mistura devidamente doseada de calcário e argila que compreende: Calcite CaCO 3 Sílica SiO2 Minerais de argila SiO 2 – Al2O3 – H2O Óxidos de ferro Fe 2O3 A composição da matéria prima deve ser tal que depois de perder a água e o dióxido de carbono devido à elevada temperatura atingida no forno, tenha uma composição química dentro dos limites seguintes: CaO

- 60 a 67% 41


SiO2 - 17 a 25% Al2O3 3 a 8% Fe2O3 - 0.5 a 6% Além destes componentes principais, a matéria-prima contém ainda metais alcalinos, magnésio, magnésio, titânio, fósforo e, eventualmente, sulfatos: MgO 0.5 a 4% K 2O e Na2O 0.3 a 1.2% SO3 2 – 3.5% (Coutinho, 1988 ; Neville, 1995 ; Jackson, 1998).

3.5.3 Notação abreviada Note-se que é costume na Química do cimento, considerar a notação abreviada seguinte: CaO - C SiO2 - S Al2O3 - A Fe2O3 - F No que respeita ao cimento hidratado são usados também os seguintes símbolos: H2O - H SO3 - S

3.5.4 Módulos Com o fim de obter produtos com a necessária regularidade de composição e portanto de propriedades, é preciso que entre estes simples óxidos elementares existam certas relações antes da cozedura, denominadas módulos (( Nota 1), dos quais o hidráulico foi pela primeira vez definido por Vicat: Módulo hidráulico (VICAT)

CaO de 1,7 a 2,3 SiO 2 + Al 2 O 3 + Fe 2 O 3 Depois deste, outros se têm calculado, e hoje é costume considerar mais os seguintes: Módulo silícico

SiO 2 de 2 a 3 Al 2 O 3 + Fe 2 O 3

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Quanto mais baixo for este módulo mais baixo será a temperatura de clinquerização, pois Al 2 O3 e Fe2 O3 são fundentes. Módulo alumino-férrico ou de fundentes

Al 2 O 3 de 1,5 a 2,5 Fe 2 O 3 Grau de saturação em cálcio

CaO de 0,90 a 0,98 2,8 SiO 2 + 1,18 Al 2 O 3 + 0,65 Fe 2 O 3 Este último módulo representa a relação entre o óxido de cálcio total e o que é susceptível de se combinar com sílica, alumina e ferro para dar os componentes indicados mais adiante. À alumina e aos óxidos de ferro chamam-se fundentes, fundentes, pois os compostos em que intervêm fundem à temperatura mais elevada (denominada temperatura de clinquerização) ajudando assim à melhor combinação de todos os intervenientes nas reacções em que se formam os componentes do cimento. O Módulo de fundentes é particularmente importante na obtenção de cimentos com resistência química melhorada e calor de hidratação baixo. Para este efeito é necessário que não se forme aluminato tricálcico (Al 2O3. 3CaO) o que acontece quando o número de moléculas de sesquióxido de ferro é igual ou maior do que o número de moléculas de óxido de alumínio (Coutinho, 1988). Al 2 O 3 ≤ 0,64 Fe 2 O 3 Se os módulos não respeitarem os limites apresentados, é necessário fazer correcções à matéria prima depois de moída e antes de entrar para os silos alimentadores do forno. Como foi dito anteriormente, (3.4.2) a matéria prima depois de moída, é sujeita a análise química automática por raios X. Esta informação é automaticamente processada pelo sistema informático instalado e as correcções a fazer, isto é, as quantidades necessárias de calcário, sílica, ferro e/ou alumina são adicionadas automaticamente a partir dos silos respectivos. Nota 1: Nas fórmulas dos módulos, os símbolos referem-se ás percentagens dos óxidos na totalidade do cimento e não aos seus pesos moleculares.

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3.5.5 Componentes principais do clínquer As reacções químicas que ocorrem pela acção da temperatura, a partir da matéria prima constituída principalmente por cal, sílica, alumina e óxidos de ferro levam à formação dos componentes principais do clínquer Portland, os quais cristalizam em elementos mais ou menos individualizados, enumerados a seguir, com indicação da percentagem em que normalmente ocorrem nos cimentos Portland: Silicato tricálcico 3CaO.SiO 2 (de 20 a 65%) C 3S (alite) Silicato bicálcico 2CaO.SiO 2 (de 10 a 55%) C 2S (belite) Aluminato tricálcico 3CaO.Al 2O3 (de 0 a 15%) C 3 A(aparece c/ mat. vítrea) Aluminoferrato tetracálcico tetracálcico 4CaO.Al 2O3.Fe2O3 (de 5 a 15%) C 4 AF (celite) AF (celite) Esquematicamente podem-se resumir assim as transformações sofridas pelas matérias primas pela acção da temperatura até à obtenção do clínquer: Até 100oC evapora-se a água livre, secando a mistura de calcário e argila. Até 450oC sai a água adsorvida nos componentes da matéria prima. Até 700oC dá-se a activação dos silicatos por desidratação e alterações na rede cristalina. De 700 a 900 oC dá-se a decomposição dos carbonatos de cálcio (e de magnésio) com a formação de óxido de cálcio (e de magnésio). Começa a combinação da alumina, óxidos de ferro e sílica activada com o óxido de cálcio. Inicia-se a formação de belite (silicato bicálcico ←sílica+cal) sílica+cal) e a formação de aluminato de cálcio 12CaO.7Al 2O3 (C 12 12 A7 ←alumina+cal) e aluminoferrato bicálcico (C 2 AF ). ). De 900 a 1200 oC prossegue em pleno a formação de belite (silicato bicálcico), começa-se a formar o aluminato tricálcico tricálcico ( C 3 A) A) e o aluminoferrato tetracálcico tetracálcico (C ( C 4 AF ). ). De facto, a cerca de 1200 oC a maior parte do aluminato tricálcico e aluminoferrato tetracálcico está constituído e o teor de silicato bicálcico (belite) atinge o máximo. A 1260oC principia o aparecimento da fase líquida, constituída pela combinação de parte de óxido de cálcio com os óxidos de alumínio e de ferro, a qual promove a constituição constituição do silicato tricálcico (alite), a partir do silicato bicálcico (belite) já formado. Mas parte do silicato bicálcico subsiste pois este não se pode transformar em tricálcico sem que haja ainda algum óxido de cálcio livre. Ver-se-á que este óxido de cálcio (livre)

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pode ser nocivo porque a sua hidratação se dá com expansão, a qual se pode tornar perigosa quando o seu teor exceda 2% e se encontre cristalizado (Coutinho, 1988). Durante o arrefecimento a fase fundida não deve cristalizar. Se o arrefecimento for lento o C 3 A cristaliza e o óxido de magnésio poderá poderá formar grandes grandes cristais. cristais. No diagrama da Figura 23 não está representado o que se passa com os sulfatos alcalinos, que se individualizam durante o processo de arrefecimento (Jackson, 1998; Coutinho, 1988). Na realidade os componentes do clínquer do cimento não são tão simples como indicado anteriormente pois não aparecem puros: a sua rede cristalina contém outros metais, como os alcalinos, o ferro, o magnésio, etc. De facto, na sua estrutura, há átomos de cálcio que são substituídos por magnésio e pelos metais alcalinos, átomos de silício e de alumínio que são substituídos por átomos de ferro, etc. Existem no clínquer óxidos livres e outros componentes em solução sólida com estes e tudo isto cria influências recíprocas muito importantes na composição e estrutura de tais componentes (Coutinho, 1988).

Le Châtelier foi dos primeiros a reconhecer que a análise química do clínquer pouco diria sobre a natureza dos componentes formados durante a fusão e a sua cristalização subsequente. Em 1882, observando ao microscópio, por transparência, secções delgadas do clínquer, descreveu os principais cristais que o compõem, bem como a massa vítrea isótropa que os rodeava e cerca de quinze anos depois o sueco

Törnebohm sem conhecer o trabalho de Le Châtelier, descrevia os mesmos minerais, tendo designado os principais por alite, belite e celite. A alite é essencialmente constituída pelo silicato tricálcico com diferentes átomos estranhos, como o Mg, Al, Fe. Os cristais de alite são poligonais, de estrutura romboédrica, rectangulares ou hexagonais, com dimensões de 10 a 50 µm. A belite é constituída essencialmente por silicato bicálcico β, com átomos estranhos, como o potássio, o fósforo, o bário, etc. Os cristais apresentam maclas lisas ou estriadas; a sua dimensão é da ordem de 30 µm. Os grãos não têm forma cristalina definida, são arredondados, amarelados, mais ou menos escuros. A celite, que ocorre entre os cristais de alite e belite, reconhece-se pela sua cor amarelo-alaranjada, é constituída por soluções sólidas entre um ferrato bicálcico e um

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aluminato bicálcico e na qual o aluminoferrato tetracálcico ( C 4 4 AF ) é um ponto de especial importância. A esta solução sólida chama-se fase ferrítica (Coutinho, 1988). O conteúdo médio de celite nos cimentos Portland é cerca de 8% e é a celite (contém ferro) que é responsável pela sua cor cinzenta pelo que o cimento branco não contém celite (Soroka, 1993). Existe também, entre outros, um material sem cor, como o vidro e que também aparece como material de enchimento entre os grãos de alite e de belite, constituído constituído por aluminatos – aluminato tricálcico(C 3A) e por uma massa vítrea (Coutinho, 1988). Figura 24 (Glasser, 1998) – Estrutura de um clínquer Portland relativamente comum observado ao microscópio óptico: alite (silicato tricálcio) – cristais amarelados, de forma aproximadamente hexagonal. belite (essencialmente silicato bicálcico) – cristais mais escuros, arredondados. A fase intersticial (celite, massa vítrea etc.) a temperaturas elevadas era material fundido encontrando-se agora cristalizado numa mistura de soluções sólidas entre ferrato de cálcio cálcio e aluminato de cálcio, que inclui o aluminoferrato tetracálcico (C4AF (C4AF ). ). (As manchas irregulares são resina de preparação para observação)(Coutinho, 1988; Glasser 1998).

Figura 25 – Estrutura de um clínquer Portland idêntico ao anterior: alite – cristais escuros azulados (com inclusões de belite) belite – cristais arredondados, muitos em forma de maclas (Glasser, 1998).

Figura 26 – Aspecto esquemático dos principais componentes do clínquer de cimento Portland: cristais poligonais de alite com pequenas inclusões de belite, cristais arredondados de belite com estriação característica, e fase intersticial de aluminato, ferrite e massa vítrea (Coutinho, 1988).

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As propriedades do cimento são dominadas pela natureza da estrutura do clínquer, a qual se pode dizer que varia de cimento para cimento devido às diferenças nas matérias-primas e no modo de fabrico. Com efeito, é importante voltar a assinalar que a formação do clínquer resulta de reacções no estado semi-sólido: apenas cerca de 20% da matéria-prima funde , e os outros 80% reagem no estado sólido. Por isso, enquanto os materiais obtidos inteiramente inteiramente por fusão, como o ferro fundido, o aço, etc., não são influenciados pelo seu antigo estado, o mesmo não acontece com o clínquer, pois, porque não passou totalmente pelo estado fluído, a cristalização e sobretudo os defeitos da cristalização são influenciados pela constituição cristalográfica do calcário e da argila primitivos. Portanto os clínqueres, mesmo com composições químicas idênticas, podem ter características características diferentes, segundo a natureza do material na pedreira de origem. Acresce ainda que factores como a história térmica do clínquer (tanto dentro do forno como durante o arrefecimento), as dimensões e forma das partículas que compõem o cru, as variações acidentais da composição química do cru – tanto devidas a erros acidentais da dosagem como da natureza e concentração de impurezas tais como magnésio, compostos de flúor, fosfatos, óxidos de chumbo e zinco, álcalis e sulfuretos – contribuem para alterar a estrutura do clínquer. Daqui resulta a enorme variabilidade

nas propriedades do cimento que não pode ser explicada apenas pela análise química (Coutinho, 1988).

3.5.6 Cálculo dos componentes principais do cimento Portland Viu-se portanto que a matéria prima submetida a temperaturas de clinquerização, é transformada em quatros tipos diferentes de compostos cálcicos ( C 3S, C 2S, C 3 A e C 4 AF ) que se encontram, àquelas temperaturas num estado de equilíbrio químico. Ora, o arrefecimento vai afectar o grau de cristalização daqueles compostos e a quantidade de matéria amorfa resultante e portanto o produto arrefecido terá uma composição química diferente. De qualquer modo para simplificar, é internacionalmente aceite considerar que o clínquer arrefecido corresponde à composição de um estado de equilíbrio total entre os componentes cristalizados como se se mantivessem àquelas temperaturas elevadas. Aliás é esta conversão que permite determinar a designada por

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“composição potencial ” ou “composição de Bogue ” de um cimento a partir das quantidades de óxidos determinados por análise química (Neville, 1995). O método proposto por Bogue, hoje universalmente aceite como primeira aproximação através da norma americana ASTM C 150, pois presta muito bons serviços para rápidas apreciações da qualidade do cimento, consiste, em resumo, no seguinte: Parte-se da análise química do cimento, em óxidos elementares, tal como é fornecida directamente pelos métodos analíticos usuais. Note-se todavia que na análise deve figurar a determinação do óxido de cálcio livre, o qual se deve subtrair do óxido de cálcio total determinado, de modo a obter a parte deste óxido que está combinada. À percentagem de sílica deve também subtrair-se o chamado resíduo insolúvel, quase exclusivamente constituído por sílica no estado livre, não combinada. A análise química fornece as percentagens dos seguintes óxidos elementares: CaO combinado, SiO2 combinado, Al2O3, Fe2O3, MgO, CaO livre, SO3, e ainda, eventualmente, TiO 2, Na2O e K 2O (Coutinho, 1988). A análise química dos cimento terá de ser conduzida de acordo com a norma

NP EN 196-2 – (2006): Métodos de ensaios de cimentos. Parte 2: Análise química dos cimentos. (Esta norma substitui a EN 196-2:1994 e incorpora a EN 19621:1989). Com as percentagens dos óxidos elementares e utilizando as fórmulas seguintes calcula-se então a composição potencial ou de Bogue: C 3S = S = 4.07 (CaO) – 7.60(SiO 2) – 6.72(Al2O3) – 1.43(Fe2O3) – 2.85(SO3) C 2S = S = 2.87(SiO2) – 0.75(3CaO . SiO 2) C 3 A = 2.65(Al2O3) – 1.69(Fe2O3) C 4 AF = AF = 3.04(Fe2O3) No Quadro 2 apresentam-se a composição em óxidos de um cimento Portland habitual (anos sessenta), e a respectiva composição potencial ou de Bogue (Neville, 1995). 48


Quadro 2 – Composição em óxidos, resultante de análise química e respectiva composição de Bogue (Neville, 1995)

Composição em óxidos CaO (combinado) SiO2 (combinado) Al2O3 Fe2O3 MgO SO3 K 2O Na2O Outros Perda ao fogo Resíduo insolúvel

% 63 20 6 3 1.5 2 1

Composição potencial (Bogue) C 3 A C 3S C 2S C 4 AF Compostos secundários

% 10.8 54.1 16.6 9.1 _

1 2 0.5

Chama-se à composição assim calculada potencial , porque neste cálculo se supõe que não só todo o clínquer está cristalizado como já referido, não ficando nele nenhum material vítreo após o arrefecimento, mas também que os compostos formados são puros, sem inclusão de átomos estranhos. Nenhuma destas hipóteses é correcta, pois a experiência mostra que há sempre ma certa quantidade de massa vítrea no clínquer, que os componentes principais não são puros e que o composto ternário férrico tem uma composição geralmente distinta da do aluminoferrato aluminoferrato tetracálcico (Coutinho, 1988). Hoje existem vários métodos para determinar a composição de cimento Portland tais como métodos de difracção de raio X, microscopia óptica, microscopia electrónica de varrimento, dissolução selectiva, análise termo-gravimétrica, o método de Bogue aperfeiçoado (ver Lea’s – Chemistry of Cement and Concrete, pg 197). De qualquer forma é importante ter sempre presente que as propriedades de um cimento dependem não só da composição da matéria prima, como também das condições de cozedura e de arrefecimento. arrefecimento.

3.6 HIDRATAÇÃO O clínquer depois de arrefecido é então moído com uma pequena percentagem de gesso e é este produto que se designa por cimento e que em contacto com a água dá origem a um novo sistema de compostos hidratados estáveis que cristalizam com hábito acicular, emaranhando-se e colando-se uns aos outros, conferindo ao conjunto uma resistência elevada.

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3.6.1 Presa, endurecimento e hidratação Durante um período inicial designado por período dormente ou de indução , após a amassadura de água e cimento, a fluidez ou consistência da pasta mantém-se relativamente constante e embora se verifique uma perda gradual de fluidez, é possível recuperá-la se se reamassar a pasta. Em geral 2 a 4 horas depois da amassadura, a temperaturas normais, a mistura começa a ganhar rigidez muito mais rapidamente e considera-se que se atingiu o início

de presa . No entanto a resistência é ainda muito baixa e o endurecimento só começa após o fim de presa que ocorre uma horas depois. O endurecimento é ,depois, muito rápido nos primeiros um ou dois dias a seguir e, posteriormente, a resistência continua a aumentar mas a uma taxa cada vez menor, durante semanas, meses e anos. A pasta de cimento desenvolve calor, em particular durante a presa e início de endurecimento. As reacções de hidratação são exotérmicas e se se medir o calor de hidratação ao longo destas fases, a temperatura constante, obtém-se curvas do tipo da Figura 27 (Domone, 1994)

Figura 27 – Curva típica relativa ao desenvolvimento de calor de hidratação de cimento Portland, durante a hidratação e a temperatura constante (Domone, 1994).

Pensa-se que o máximo (A) resulta da hidratação inicial à superfície das partículas de cimento, sobretudo do aluminato tricálcico ( C 3 A) A) Neville, 1995).

50


Este máximo (A) dura apenas alguns minutos, e a curva de desenvolvimento de calor decresce rapidamente, mantendo-se com um valor reduzido durante o já referido período dormente em que praticamente não se verificam reacções, e cuja duração é de 2 a 3 horas. A seguir ao período dormente, aproximadamente na altura correspondente ao

início de presa, a taxa de libertação de calor começa a aumentar rapidamente (Domone, 1994) enquanto os produtos de hidratação de cada grão de cimento começam a desenvolver-se e a entrelaçar-se (Neville, (Neville, 1995). A taxa de libertação de calor continua continua a aumentar, com a estrutura dos produtos de hidratação a densificar, atingindo-se entretanto o fim de presa. Cerca de 10 horas depois da amassadura o endurecimento prossegue e a curva de libertação de calor atinge o pico (B) correspondente à reactividade máxima de hidratação. Posteriormente a curva decresce gradualmente e, por vezes, poderá verificar-se um novo máximo (C), um ou dois dias depois. Este comportamento é causado pela hidratação doas quatro componentes principais de cimento e pela interacção entre os produtos de hidratação Note-se que o processo de hidratação do cimento é extremamente complexo e ainda hoje não é totalmente compreendido, existindo várias teorias sobre alguns dos fenómenos envolvidos. Apresenta-se em seguida uma possível explicação simplificada da hidratação do cimento, procurando associá-la ao processo de libertação de calor nos primeiros dias, acabado de descrever: O aluminato tricálcico no estado puro ( C 3 A), A), reage com a água muito rapidamente (ao fim de alguns minutos), conduzindo a uma presa rápida ou desenvolvimento de calor (reacção 3, Quadro 3). instantânea, acompanhada por desenvolvimento C 3 A + 6H → C 3 AH 6 6

3CaO.Al2O3+6H2O 3CaO.Al2O3.6H2O →

Para moderar ou retardar esta reacção é necessário juntar ao cimento um sulfato (cerca de 3 a 4%), o mais económico dos quais é o gesso natural. Este reage lentamente com a C 3 A formando-se etringite (sulfoaluminato de cálcio hidratado, reacção 6 do Quadro 3) isto é, o gesso protege o C 3 A da água (Coutinho, 1988; Domone, 1994, Neville, 1995, Odler, 1998): C 3 A

+ 3C H 2+ 26H S H 51

→

C 6 6 A H 32 S H 32


3CaO.Al2O3+3(CaSO4.2H2O)+26H2O 3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O O período dormente (Fig. 27), caracterizado por uma reactividade baixa, é →

explicado por pelo menos 6 teorias diferentes e a mais vulgarmente aceite é a de que este período é causado pela formação de etringite (a partir de gesso) e sua precipitação sobre a superfície do C 3 A cuja solubilidade é baixa em presença de sulfatos (Odler, 1998). O fim do período dormente parece ser devido ao desaparecimento da camada de protecção que envolve o C 3 A, A, começando então a formação de produtos de hidratação CSH a CSH a partir do componentes do cimento. Cerca de 24 horas depois, o gesso já foi totalmente consumido e começa a transformação da etringite em monosulfoaluminato monosulfoaluminato ( 3C 4 A S H12 ou C 3 A.C S . H . 12 12) à custa de C 3 A assim como hidratação do C 3 A ainda não consumido (reacção 3, Quadro 3). São estas reacções que correspondem ao máximo (C) que por vezes aparece na cauda da curva de libertação de calor (Figura 27) mas isto só acontece com cimentos com teores elevados de C 3 A isto é, superiores a 12% (Domone, 1994). A formação de monosulfoaluminato resulta da combinação da etringite com aluminato tricálcico tricálcico ainda existente (reacção 7, Quadro 3) (Odler, 1998): C 6 6 A H 32 H 12 S H 32 + 2C 3 A + 4H → 3C 4 A S H 12 3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O + 2(3CaO.Al 2O3)+ 4H2O 3(4CaO.Al2O3.CaSO4.12H2O) →

À medida que a etringite é consumida também se forma aluminato hidratado de cálcio hexagonal C 4 AH 19 19 que pode formar uma solução sólida com o monosulfoaluminato C 4 A S H H 12 12 ou individualizar-se em cristais (Odler, 1998). Repare-se que o facto de se juntar gesso não evita totalmente a reacção (3, Quadro 3) de hidratação directa do C 3 A, A, apenas a atrasa. A hidratação do aluminoferrato aluminoferrato tetracálcico ( C 4 AF ) verifica-se durante o mesmo período da hidratação do C 3 A e também envolve um composto intermédio com gesso (Domone, 1994). Os produtos finais da hidratação de C 4 AF parecem ser aluminatos tricálcicos hidratados hidratados e uma fase amorfa ferrítica. É possível também que parte do óxido de ferro ( Fe Fe2O3) esteja presente em solução sólida nos aluminatos tricálcicos hidratados (Neville, 1995). Segundo Coutinho (1988), de uma forma simplificada, poder-se-á dizer que o aluminoferrato tetracálcico (C ( C 4 AF ) reagindo com a água liberta aluminato tricálcico e

52


ferrato monocálcico ( reacção 4, Quadro 3). Este, reagindo com o hidróxido de cálcio já presente transforma-se em ferrato tricálcico (C ( C 3 FH m) (reacção 5, Quadro 3), que forma soluções sólidas com o aluminato tricálcico hidratado ( C 3 AH ). ). Desta maneira o aluminato tricálcico (C ( C 3 A) A) fica protegido da acção do ião sulfato, e por esta razão os cimentos resistentes à acção dos sulfatos devem conter uma proporção razoável de aluminoferrato aluminoferrato tetracálcico tetracálcico ( C 4 AF ) (Coutinho,1988). (Coutinho,1988). Todas estas reacções são muito mais complexas envolvendo a formação de soluções sólidas, não se tendo ainda chegado a um consenso sobre o que efectivamente se passa. O silicato tricálcico C 3S (ou mais precisamente, a alite) ao reagir com a água liberta hidróxido de cálcio, uma parte da qual fica em solução, outra cristaliza. O silicato ao perder cálcio origina o bissilicato tricálcico ( C 3S 2 H 3) hidratado como se pode observar no Quadro 3, reacção 1 (Coutinho, 1988). Esta reacção é a mais rápida a realizar-se e, de facto, a maior contribuição para o pico B (Figura 27) da curva de evolução de calor resulta desta reacção. O produto desta reacção ( C 3S 2 H 3) é muitas vezes referido simplesmente como silicato de cálcio hidratado CSH e é responsável pela resistência atingida no cimento endurecido (Domone, 1994). A hidratação da alite, como dito, leva à formação formação de hidróxido hidróxido de cálcio, que corresponde a 40% 40% do total dos produtos de hidratação da alite (18% na belite) (Soroka, 1993). 2 C 3S +6 H C 3S 2 H 3 +3CH 2(3CaO.SiO2)+6H2O 3CaO.2SiO2.3H2O+3Ca(OH)2 Note-se desde já, o que é importante para o estudo das acções agressivas sobre o →

→

betão, que este silicato hidratado somente é estável quando em contacto com soluções

saturadas de hidróxido de cálcio (que a 20oC contenham de 1585 mg a 1450 mg deste hidróxido por litro de água, o que corresponde a um domínio do pH de 12,34 a 12,20 ) (Coutinho, 1988). O silicato bicálcico (C ( C 2S ), ), ao reagir com a água também liberta hidróxido de cálcio, embora em menor quantidade (cerca de 1/3 do libertado pelo silicato tricálcico) e transforma-se num outro silicato de cálcio hidratado (reacção 2, Quadro 3). 2 C 2S +4H 2(2CaO.SiO2)+4H2O

C 3S 2 H 3 + CH 3,3CaO.2SiO2.3,3H2O+0,7Ca(OH)2

→

→

53


O domínio de estabilidade deste composto hidratado é muito maior do que o correspondente ao da hidratação do silicato tricálcico, pois vai até soluções com 130 mg de hidróxido de cálcio por litro de água, com pH = 11,00 (Coutinho, 1988). O C 2S ou, S ou, rigorosamente, a belite reage mais lentamente que o C 3S mas S mas os produtos da reacção são idênticos (CSH ( CSH ) como se pode observar no Quadro 3, reacção 2. A contribuição desta reacção para o calor de hidratação é reduzida (Domone, 1994). Quadro 3 – Reacções de hidratação dos componentes principais do cimento Portland (com base em Coutinho, 1988; Domone, 1994; Neville, 1995 e Odler, 1998) a i c o n t x ê e r t e f o e n R

Compostos principais formados

Reacções

1

2 C 3S +6 H 2(3CaO.SiO2)+6H2O

2

2 C 2S +4H 2(2CaO.SiO2)+4H2O

3

C 3 A +6H C 3 AH 6 6 3CaO.Al2O3+6H2O 3CaO.Al2O3.6H2O

4

C 4 AF + 7H C 3 AH 6 6 4CaO.Al2O3.Fe2O3+7H2O 3CaO.Al2O3.6H2O

→ →

→ →

C 3S 2 H 3 +3CH 3CaO.2SiO2.3H2O+3Ca(OH)2 C 3S 2 H 3 + CH 3,3CaO.2SiO2.3,3H2O+0,7Ca(OH)2

→

sem gesso (ou já sem etringite) calor de hidratação elevado

→

→

→

+ CFH +CaO.Fe2O3.H2O

CFH + 2Ca(OH)2+nH CaO.Fe2O3.H2O+2Ca(OH)2+nH2O

6

C 3 A + 3C H 2+ 26H C 6 6 A H 32 S H S H 32 3CaO.Al2O3+3(CaSO4.2H2O)+26H2O 3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O etringite

7

→ →

C 3 FH m 3CaO.Fe2O3.mH2O

Aluminoferratos cálcicos hidratados

formam soluções sólidas

5

silicatos cálcicos hidratados silicatos cálcicos hidratados Aluminatos tricálcicos hidratados

→

→

evita presa instantânea

C 6 6 A H 32 H 12 S H 32 + 2C 3 A + 4H → 3C 4 A S H 12 3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O + 2(3CaO.Al2O3)+ 4H2O 3(4CaO.Al2O3.CaSO4.12H2O)+... etringite monosulfoaluminato cálcico NOTA: notação abreviada a itálico →

As quantidades acumuladas de cada produto ao longo de alguns dias apresentam-se na Figura 28 e ao fim de um dia é aparente a preponderância de CSH acompanhada do crescimento de hidróxido de cálcio.

Figura 28 – Desenvolvimento típico dos produtos de hidratação em pasta de cimento Portland (Domone, 1994).

54


3.6.2 Hidratação e microestrutura

O endurecimento do cimento é lento, sobretudo da belite, pelo que em geral

nunca se considera que as reacções se completaram mas que se atingiu um determinado

grau de hidratação . À semelhança da maioria dos processos químicos, a temperatura acelera as reacções de hidratação e com temperaturas baixas a velocidade de reacção diminui, chegando mesmo a anular-se quando a temperatura atinge os 10 oC negativos. Tem sido levados a cabo, por utilização de diversas técnicas tais como microscopia electrónica de varrimento e técnicas de difracção de raios X, muitos estudos relacionados com a hidratação do cimento e a microestrutura resultante e tornou-se claro que o processo se desenvolve na interface sólido/líquido tendo como resultado produtos de estrutura complexa e com elevada superfície específica como esquematizado esquematizado na Figura 29 (Domone, 1994). Na Figura 30 apresenta-se um esquema do desenvolvimento microestrutural, também durante a hidratação, mas de um grão de cimento.

Figura 29 – Esquema do desenvolvimento da microestrutura da pasta de cimento durante a hidratação

55


a – cimento e água acabados de misturar. As partículas encontram-se dispersas na água de amassadura quer individualizadas quer em flocos. O espaçamento espaçamento entre elas depende da razão água/cimento. Durante o período dormente forma-se etringite à superfície das partículas de cimento, sob a forma de agulhas. b – presa inicial – começo do emaranhamento de partículas de CSH a formarem-se e alguns cristais de Ca(OH 2). No final do período dormente, isto é, aproximadamente no início de presa, a etringite das partículas adjacentes começa a interferir e começam a formar-se partículas de CSH com aspecto de “papel de prata encorrilhado” e forma alongada. As camadas do “papel de prata” correspondem normalmente a 2 ou 3 camadas moleculares. c – pasta de cimento com 2 ou 3 dias, já com maior resistência consequente da maior densidade de silicatos cálcicos hidratados a formarem-se entre o cimento não hidratado e os poros capilares. Na fase seguinte prossegue a formação de gel CSH entre as partículas e a resistência aumenta. Os cristais de hidróxido de cálcio vão-se desenvolvendo e alguns poros de maiores dimensões ainda permanecem vazios assim como o interior dos grãos de cimento permanece desidratado. d – pasta amadurecida – silicatos cálcicos hidratados de maior densidade a envolver cristais de Ca(OH) 2, resíduos de cimento não hidratado e poros capilares (Domone, 1994).

0 min. 10 min.

Grão não hidratado (a fase intersticial intersticial está ligeiramente ligeiramente exagerada) Algum C3A reage com o sulfato de cálcio (gesso) em solução. À superfície do grão forma-se gel amorfo rico em aluminatos e também se desenvolvem a partir do gel e na solução, agulhas curtas de etringite (AF t).

10 h

Reacção de C 3S que produz uma capa exterior de gel C-S-H a partir da rede de agulhas de etringite, deixando um espaço de 1 µm entre a superfície do grão e a capa hidratada.

18 h

Hidratação secundária de C 3A produzindo longas agulhas de etringite. Começa a formar-se gel C-S-H no interior da capa devido à continuação da hidratação de C 3S.

1-3 dias

C3A reage com etringite que exista no interior da capa, formando-se placas hexagonais de monossulfoaluminato Af m. A formação continuada de produtos no interior reduz a separação entre o grão anidro e a capa hidratada.

14 dias

Já se formou uma quantidade suficiente suficiente de C-S-H no interior para encher o espaço entre o grão e a capa. O gel C-S-H exterior tornou-se mais fibroso.

Anos

O material não hidratado reage através de um mecanismo lento, no estado sólido, formando-se gel C-S-H adicional, no interior. A fase ferrítica parece permanecer sem reacção zona branca junto de C3A praticamente inalterada desde o início). 56


Figura 30 - Desenvolvimento microestrutural, microestrutural, durante a hidratação, de um grão de cimento(Scrivener,1989)

Poder-se-á dizer, finalmente que a pasta de cimento endurecida consiste em: 1. Resíduo de cimento ainda não hidratado no núcleo dos grãos originais 2. Os produtos hidratados, sobretudo silicatos de cálcio hidratados CSH mas também aluminatos de cálcio hidratados, sulfoaluminatos hidratados e ferrite. 3. Cristais de hidróxido de cálcio - Ca(OH) 2. 4. Poros capilares que correspondem aos espaços não preenchidos entre os grãos de cimento(Domone,1994). cimento(Domone,1994).

Assim , a pasta de cimento endurecida é composta por hidratos pouco cristalizados de diversos compostos que constituem um material coloidal com superfície específica cerca de 500 a 1000 vezes a do cimento que lhe deu origem, designado por gel, por cristais de hidróxido de cálcio Ca(OH) 2, por cimento não hidratado, por vazios cheios de água e por outros componentes. Estes vazios designam-se por poros capilares e tem diâmetros a partir das dezenas de nanómetros (mediana cerca de 1300 nanómetros) enquanto que os vazios existentes no próprio gel (microporos ou poros do gel) tem dimensões mais reduzidas e de poucos nanómetros (Sousa Coutinho, 1998).

57


C

C - poros poros capila capilares res

C

- microporos ou poros do gel - partículas de gel C C

Figura 31 - Modelo simplificado da estrutura da pasta de cimento.

A rede porosa da pasta de cimento de um betão é constituída pelos poros descritos anteriormente - os poros do gel e os poros capilares e ainda, os poros de maiores dimensões - os macroporos resultantes da granulometria e do ar emulsionado com os componentes durante a amassadura e que não se conseguiu libertar durante a fase de compactação. Na Figura 32 apresenta-se uma classificação dos poros de acordo com a sua origem e tamanho, segundo Setzer (Sousa Coutinho, 1998). 10 10

10 poros de compactação

10 ) o r t e m ó n a n ( o r o P o d o i a R

poros de ar 10

10

10

poros com influência na durabilidade

s e r a l i p a c s o r o p

s o r t poros capilares e m 10

10

s o r o p o r c a m

10

( 30 nm) 10

s o r o p o r c i m

10 microporos

1 10

10 Distribuição de poros segundo Setzer (CEB)

Figura 32 - Distribuição de poros segundo Setzer (Sousa Coutinho, 1998).

3.6.3 Calor de hidratação dos componentes Foi analisado anteriormente o desenvolvimento do calor de hidratação ao longo dos primeiros dias de vida de pasta de cimento, isto é durante a presa e início de endurecimento.

58


Interessa agora analisar a contribuição de cada um dos quatro componentes principais. O calor libertado após hidratação completa é aproximadamente igual à soma dos calores de hidratação dos componentes principais quando hidratados separadamente. Apresentam-se no Quadro 4 valores típicos do calor de hidratação (completa) dos componentes principais do cimento (Neville, 1995). Quadro 4 – Calor de hidratação (completa) dos componentes principais puros (Neville, 1995).

Componentes C3S C2S C3A C4AF

Calor de hidratação J/g Cal/g 502 120 260 62 867 207 419 100

Assim a partir das percentagens dos componentes principais ( C 3S, C 2S, C 3 A e C 4 AF ) é possível estimar com uma razoável precisão o calor de hidratação (completa) de um dado cimento (Neville, 1995). Para além do calor da hidratação completa do cimento, interessa considerar sobretudo o que se passa no período inicial. De facto a libertação do calor das reacções de hidratação assume particular importância quando se betonam, de uma só vez, peças em que qualquer das três dimensões é superior a 1 ou 2 metros (betão em massa), como por exemplo em barragens. Então, no período inicial, a velocidade da saída do calor para o exterior é inferior à taxa de libertação do calor de hidratação do cimento e a massa de betão vai aquecendo; à medida que o tempo passa, a libertação de calor atenua-se e a massa começa a arrefecer, criando-se então gradientes de temperatura tais, que podem originar fissuração devidas às tensões instaladas (Coutinho, 1988). Sabe-se que os componentes principais que se hidratam mais rapidamente são o C 3 A e o C 3S , pelo que reduzindo a percentagem destes componentes no cimento, o calor de hidratação desenvolvido no período inicial é mais baixo. Repare-se também que num cimento de maior finura, na fase inicial, a superfície específica é maior, portanto as reacções são mais rápidas desenvolvendo-se mais calor de hidratação.

59


Numa fase mais avançada da hidratação a finura já não afecta o calor de hidratação. Nas Figuras 33 e 34 apresenta-se a influência dos componentes C 3 A e C 3S na libertação do calor (nas primeiras horas) de hidratação do cimento (Neville, 1995). conteúdo em C A g / J o d i v l o v n e s e d r o l a C

g / l a C

tempo - horas Figura 33 – Influência do conteúdo em C3A na libertação de calor (Neville, 1995)

Conteúdo em C3S

/ J o d i v l o v n e s e d r o l a C

g / l a C

tempo - horas Figura 34 - Influência do conteúdo em C 3S na S na libertação de calor (Neville, 1995)

60


Em conclusão pode-se, portanto, reduzir o calor de hidratação usando um cimento com quantidades mais baixas de C 3 A e C 3S , um cimento menos moído e ainda uma menor dosagem de cimento na composição do betão. É de realçar ainda que o calor de hidratação pode ser vantajoso em tempo muito frio impedindo a congelação da água no betão fresco (Neville, 1994). Repare-se que, em termos de normalização europeia os cimentos correntes de baixo calor de hidratação foram incluídos na EN 197-1 pela emenda 1 (NP EN 1971:2000/A1 2005) e, por exemplo, os cimentos especiais de calor muito baixo de hidratação são contemplados na NP EN 14216 (2005).

3.6.4 Resistência dos componentes hidratados A

contribuição

dos

compostos

hidratados

individualizados

para

o

desenvolvimento da resistência do cimento apresenta-se na Figura 35.

Figura 35 – Desenvolvimento da resistência nos no s compostos puros de cimento Portland.

Como visto anteriormente, a hidratação do cimento leva à formação de um gel rígido constituído essencialmente essencialmente por partículas de silicatos cálcicos hidratados (CSH ). ). As partículas de gel são muito pequenas e portanto a superfície específica é muito elevada, cerca de 200 000 m 2/kg (medida com vapor de água) (de 500 a 1000 vezes superior à s.e. das partículas do cimento original – Domone, 1994). As forças de coesão dependem das propriedades da superfície das partículas e portanto aumentam com o aumento de superfície específica. A resistência mecânica do cimento após presa é, portanto, sobretudo devida à elevada superfície específica do gel de cimento (Soroka, 1993). 61


3.6.5 A água no cimento hidratado A água é um constituinte essencial da pasta de cimento e o seu papel na coesão é muito importante. De facto é útil classificar a água segundo o grau de dificuldade com que se liberta para o exterior: 1) Água quimicamente combinada correspondente a água de hidratação do cimento nas reacções referidas anteriormente. No processo de secagem da pasta de cimento endurecida esta água não se liberta. Só é possível retirar esta água por aquecimento a temperaturas superiores a 1000oC às quais o material se decompõe (Domone, 1994). Esta água é por vezes determinada para calcular o grau de hidratação do cimento (Soroka, 1993). 2) Água zeolítica ou intersticial – Água ligada também à rede cristalina, mas que se interpõe nas lamelas do gel da pasta de cimento hidratada (nos poros de gel inferiores a cerca de 2,6 nm → 1nm = 10 -9m), de modo que a sua saída, ou entrada, não modifica a sua estrutura; apenas é alterado o espaçamento espaçamento entre as camadas cristalinas, ou lamelas. As propriedades cristalinas não sofrem alterações quando a água zeolítica é eliminada; pois o cristal mantém a sua estrutura. A água zeolítica pode ser retirada, por exemplo, por secagem intensa a temperaturas elevadas ou reduzindo a humidade relativa do ambiente a valores inferiores a 10%, embora a perda desta água leve a uma retracção considerável pois as forças de Van der Waals conseguem aproximar as camadas cristalinas ou lamelas (Domone, 1994). A saída desta água é reversível e se novamente em atmosfera húmida o gel retoma gradualmente a água, afastando as placas ou lamelas 3) Água (fisicamente) adsorvida – A superfície dos produtos da hidratação do cimento é muito grande, dadas as pequenas dimensões dos cristais. A enorme quantidade de átomos à superfície de tais cristais, cujas forças não estão totalmente saturadas pelos átomos vizinhos, cria as chamadas forças de superfície, de adsorsão ou de Van der Waals, que atraem as moléculas dos fluidos da sua vizinhança. As moléculas de água são fortemente atraídas pela superfície dos cristais dos componentes hidratados do cimento (Coutinho, 1988) podendo constituir até 5 camadas moleculares correspondendo então a

62


uma espessura de 1,3 1,3 nm . Quando a humidade humidade relativa baixa baixa a cerca de 30% uma parte desta água pode ser perdida correspondendo a uma importante parcela da retracção por secagem (Domone, 1994) 4) Água capilar – É a água que ocupa o espaço nos capilares e é livre da acção das forças de adsorsão: resulta da condensação do vapor de água nos capilares e nos poros de gel maiores (5 nm); a sua quantidade varia com a humidade relativa da atmosfera e com o raio capilar. A entrada e saída são reversíveis, dependendo dependendo da tensão de vapor e da temperatura (Coutinho, 1988; Soroka, 1993). 5) Vapor de água – Os poros maiores podem estar parcialmente cheios com água e os restantes espaços contém vapor de água à pressão de equilíbrio com a humidade relativa e temperatura do ambiente circundante (Domone, 1994). 6) Água livre – É toda a água que está na pasta de cimento, ou no betão, sem sujeição a quaisquer forças, ficando livre de se evaporar durante o endurecimento da pasta ou do betão. (Encontra-se nos poros de dimensão superior a cerca de 50 nm).

Figura 36 – Representação esquemática dos tipos de água no seio dos silicatos cálcicos hidratados CSH (Domone, 1994).

Na prática é, por vezes, difícil classificar numa categoria ou noutra a água, pois as diferentes espécies não se excluem, pelo que, quando se trata de fenómenos da secagem do betão, é mais prático distinguir apenas duas espécies de água; a evaporável e a não

evaporável. Como o nome indica trata-se de uma distinção feita a partir do conceito de evaporação, o qual depende das condições de tensão de vapor e temperatura a que se sujeita a pasta de cimento. 63

Materiais de Construção 2 – 1ª Parte 2006 Joana de Sousa Coutinho NOTA: Por exemplo, Powers e Brownyard, com o fim de praticamente poderem distinguir a água nos estados que acabámos de enunciar, determinam a quantidade de água que na pasta de cimento hidratado se evapora a 23ºC, num vácuo de 0,45 µm de mercúrio sob uma tensão de vapor obtida com uma mistura de perclorato de magnésio cristalizado com duas e com quatro moléculas de água, Mg (ClO4)2 . 2H2O + Mg (ClO4)2 . 4H2O, a que corresponde uma humidade relativa de 2,4 × 10-5. A água retida pela pasta de cimento nestas condições é a água não evaporável, que corresponde, aproximadamente, à água quimicamente combinada, pois os componentes hidratados do cimento, a esta tensão de vapor, perdem alguma água de cristalização. Em média é de 28 g por 100 g de cimento anidro, num cimento completamente hidratado. A água evaporável nas condições acima descritas é água livre, capilar, zeolítica e adsorvida (Coutinho, 1988).

3.6.6 Resistência química A contribuição de cada componente para a resistência química do cimento também não é uniforme: há componentes, como o C 2S e os que contém ferro, que conferem maior resistência química química do que os outros, como o C 3S e S e o C 3 A. A. No Quadro 5 indica-se a ordem de grandeza da contribuição de cada componente para as tensões de rotura, para o calor de hidratação, e para as resistências químicas. Daqui se deduz que o componente que mais contribui para a tensão de rotura é o C3S. É também ele que mais concorre para o calor de hidratação (se atendermos a que a sua proporção é sempre superior a duas, três ou quatro vezes a do C 3 A) A) e possui a menor resistência química pois necessita estar em contacto com soluções saturadas de hidróxido de cálcio que são condições propícias para a formação do sulfoaluminato tricálcico expansivo, e para a reacção expansiva da sílica reactiva dos agregados com os álcalis do cimento. Quadro 5 – Propriedades principais dos componentes do cimento (Coutinho, 1988; Neville, 1995) Calor desenvolvido Tensão de rotura após Componentes após hidratação total hidratação Resistência química J/g Cal/g 7 dias 28 dias 1 ano C3S 502 120 42,5 50,0 72,5 Pequena, por necessitar do contacto com soluções sobressaturadas de Ca(OH)2 C2S

260

62

2,0

6,7

70,0

Média, por necessitar do contacto com soluções de pH inferior a 12

C3A

867

207

2,0

3,4

6,7

Fraca, por dar origem à formação do sulfoaluminato tricálcico

C4AF

419

100

2,0

3,6

3,8

Boa

64


Também vem a propósito referir que a presença do C 3 A no cimento é indesejável: indesejável: contribui pouco ou nada para a tensão de rotura, excepto nas idades jovens; tem um desenvolvimento grande de calor ao reagir com a água, e, quando o cimento é atacado pelo ião sulfato, a expansão devida à formação do sulfoaluminato de cálcio a partir do aluminato pode levar à desintegração completa do betão, quando a reacção se dá num meio saturado de hidróxido de cálcio, como se disse. Mas a presença do aluminato (e também do ferrato) é necessária para se obter uma fase líquida durante a cozedura do clinquer, o que permite a combinação da cal com a sílica. Se se não formasse essa fase líquida no forno a reacção levaria muito mais tempo, e provavelmente nunca seria completa. Sob este aspecto a alumina é muito mais eficaz do que o óxido de ferro; se ao fundente falta alumina, o líquido formado é muito mais viscoso, e a cozedura mais difícil. difícil. Observa-se assim que a alumina, indesejável indesejável no cimento, é no entanto necessária para a sua fabricação económica (Coutinho, 1988). É costume apontar o C 3 A como o componente indesejável no cimento portland. Daí a existência de cimento portland com baixas percentagens de aluminato tricálcico, como os cimentos do tipo V nos EUA (norma C 150 as ASTM) e de exigências de percentagem deste componente em diversos países, quando se pretendem elevadas resistências químicas do cimento portland. Segundo A. Sousa Coutinho (Coutinho, 1988) o componente mais nefasto do cimento portland sob o ponto de vista químico é o C 3S . De facto, o que distingue o cimento portland de todos os outros ligantes hidráulicos usados anteriormente à invenção do cimento portland é a presença de C 3S , obtido por cozedura a temperaturas superiores a 1300ºC. É da sua existência que resultam as elevadas tensões de rotura que tornaram possível o emprego do betão como o material de construção do Século XX. É também devido a ele que é possível o betão armado e pré-esforçado pois, a elevada alcalinidade (pH = 12) permite a estabilidade do aço, sem corrosão e é precisamente devida ao facto de a hidratação do C 3S produzir compostos que são estáveis em soluções sobressaturadas de hidróxido de cálcio, meio em que o aço é imune à corrosão. Mas este facto, existência de soluções sobressaturadas de hidróxido de cálcio no interior do cimento portland hidratado, pode ser a causa da sua destruição, porque é devido à presença de tais soluções sobressaturadas de hidróxido de cálcio que se forma o sulfoaluminato de cálcio expansivo (tanto a partir da alumina do cimento como da

65


alumina reactiva do agregado) e os silicatos alcalinos expansivos, a partir dos álcalis do cimento e da sílica reactiva do agregado. Vê-se assim, que o C 3S causa da enorme aplicação do betão armado e préesforçado, é também a causa da sua deterioração. E este defeito pode ser eficazmente corrigido pela utilização de pozolana, escória granulada de alto-forno, etc., que diminuem o risco da expansão do betão pela acção da alumina do agregado ou do cimento, e da sílica do agregado (Coutinho, 1988).

3.7 PROPRIEDADES FÍSICAS, MECÂNICAS E QUÍMICAS DOS CIMENTOS Para serem aplicados com segurança, os cimentos têm de possuir determinadas características, algumas impostas por normas, entre as quais a massa volúmica, finura, resistência mecânica, características da presa, expansibilidade, perda ao fogo, resíduo insolúvel, teores de sulfatos e cloretos e pozolanicidade, que serão analisadas em seguida.

3.7.1 Massa volúmica dos cimentos Para calcular a composição de um betão, para determinar a superfície específica de um cimento e por vezes, para verificar se o cimento está já parcialmente hidratado é necessário determinar a sua massa volúmica . A massa volúmica é determinada pela maneira usual para qualquer sólido, conhecendo a massa e medindo o seu volume a partir do deslocamento de um líquido num volumenómetro apropriado, designado incorrectamente por “densímetro”, de Le Châtelier – Figura 37. O líquido que se emprega é a gasolina ou o petróleo. O procedimento vem descrito na especificação do LNEC E 64 (1979) Cimentos.

Determinação da massa volúmica.

66


O frasco, em banho-maria termoregulado a 20ºC, enche-se com 250 ml de gasolina

até

determinada

marca,

deitando-se em seguida uma quantidade previamente pesada de cimento (em geral 65,0 g), com cuidado, de modo a evitar a aderência às paredes. Depois de se deitar todo o cimento, o volumenómetro é mantido em posição inclinada, rodando-o, a fim de que o ar se possa escapar. Logo que se termina esta operação tapa-se o frasco e coloca-se de novo no banho termo-regulador a 20ºC. Quando se atingiu o equilíbrio térmico lê-se a nova posição do nível do líquido no gargalo do frasco, cuja diferença para a inicial dá o volume dos 65 g de cimento lá colocados. A massa volúmica é o quociente de 65 g

Figura 37 – Volumenómetro de Le Châtelier.

pelo volume do líquido deslocado.

O conhecimento desta grandeza também permite detectar a existência de material inerte no cimento pois, um valor da massa volúmica inferior a 3,05 indica um cimento adulterado, mal cozido, ou ainda parcialmente hidratado (Coutinho, 1988). Note-se que na normalização não são especificados valores mínimos para a massa volúmica do cimento pois muitos incluem adições cuja massa volúmica é mais baixa do que a do cimento Potland. Actualmente a massa volúmica, quando necessária, deve ser determinada segundo a NP EN 196-6: Métodos de ensaio de cimentos. Determinação

da finura , de acordo co o procedimento descrito em 4.5.3. Este procedimento não contraria o descrito na E 64 , mas sendo necessário fazer duas determinações e considerar para valor da massa volúmica a média dos dois resultados.

67


Apresentam-se no Quadro 6 os valores das massas volúmicas dos componentes do cimento Portland (CEM I) não hidratado e hidratado.

Quadro 6 – Massas volúmicas do cimento Portland antes e depois da hidratação (Coutinho, 1988) Massa volúmica dos componentes do cimento Silicato tricálcico, C3S .......................3,12 a 3,15 Alite ..................................................3,14 a 3,25 Silicato bicálcico, C2S ......................3,28 Aluminato tricálcico ........................3,04 Aluminoferrato tetracálcico .............3,97 Material escuro escuro intersticial ..............3,00 Óxido de cálcio ...............................3,32 Óxido de magnésio .........................3,58

TODOS SUPERIORES a 3 g/cm3

Massa volúmica dos componentes hidratados Hidróxido de cálcio, Ca(OH)2 .................... .2,23 Hidróxido de magnésio, Mg(OH)2 .............. .2,40 3CaO . 2SiO2 . 3H2O .....................................2,24 3CaO . Al2O3 . 6H2O ................................. ...2,52 4CaO . Al2O3 . 13H2O ...................................2,02 3CaO . Al2O3 . 19H2O, ..................................1,80 3CaO . Al2O3 . 3CaSO4 . 32H2O .............. ....1,73 3CaO . Al2O3 . CaSO4 . 12H2O .....................1,99 Cimento completamente hidratado ...............2,13 TODOS INFERIORES a 2,6 g/cm 3

3.7.2 Finura 3.7.2.1 Introdução Uma das últimas operações na produção de cimento e de resto, a que consome mais energia, é a que corresponde à moagem do clinquer misturado com gesso. Como as reacções de hidratação começam à superfície dos grãos de cimento, o material disponível para reagir corresponde a área total da superfície dos grãos de cimento. Assim, a velocidade de hidratação depende da finura do cimento pelo que, quando se pretende uma resistência elevada aos primeiros dias é necessário que o cimento tenha uma elevada finura este facto não afectando a resistência a longo prazo – Figura 38. O aumento da velocidade no início da hidratação, conseguido à custa de uma maior finura do cimento acarreta, evidentemente, uma taxa maior de desenvolvimento de calor no início. Note-se também que o custo de moagem já em si elevado torna-se consideravelmente mais elevado quando se pretende uma finura acrescida além de que são necessários cuidados acrescidos na medida em que o cimento muito fino deteriorase mais facilmente quando exposto ao ar.

68


Figura 38 – Relação entre resistência de betões a diferentes idades e finura do cimento (Neville, 1995).

Uma finura elevada também conduz a uma reacção mais intensa com agregados com sílica reactiva e leva a que a pasta de cimento (não necessariamente o betão) apresente uma retracção mais elevada e fendilhe mais facilmente, mas apresente uma exsudação mais baixa. Note-se que um aumento da finura leva a que se aumente a quantidade de gesso a juntar ao clinquer em virtude de haver mais C3A disponível no início da hidratação (Neville, 1995). Sendo a finura uma propriedade importante do cimento é necessário que seja cuidadosamente controlada. Existem diversos métodos para determinação da finura de cimento.

3.7.2.2 Métodos de determinação determinação da finura de de um cimento 1) Resíduo de peneiração – Um modo cómodo e rápido de determinar a finura foi utilizar peneiros; todavia os limites de finura determinados por este meio são incompletos pois a peneiração não é possível para dimensões inferiores a cerca de 50µ 50µm, e mesmo para dimensões inferiores a 75µ 75 µm é já aconselhável utilizar a peneiração por via húmida. Antigamente Antigamente e entre nós, o cimento não devia possuir um resíduo, no peneiro com malhas de 90µ 90 µm de abertura, superior a 10,0%.

69


Hoje, a normalização actual não estabelece estabelece um limite para o resíduo de peneiração mas esta propriedade serve para verificação verificação e controlo, detectando a presença de partículas grossas do cimento no processo de produção. O método de ensaio para determinação do resíduo de peneiração vem descrito na norma NP EN 196-6 (1990) Métodos de ensaio de cimentos. Determinação da

finura. O método de peneiração para determinação do respectivo resíduo consiste em peneirar a seco uma amostra de cerca de 10 g de cimento com um peneiro com malha de abertura de 90µ 90 µm e determinar o resíduo no peneiro após peneiração manual (ou mecânica). O ensaio é repetido e o resultado corresponde corresponde à média nos dois ensaios. Note-se que o resíduo de peneiração não fornece informações sobre a dimensão dos grãos inferiores a 90µ 90 µm e são as partículas mais finas que tem o papel mais importante nas reacções iniciais de hidratação. Assim as normas actuais preconizam a determinação da superfície específica. 2) Superfície específica – A superfície específica de um cimento é a área superficial das partículas partículas por unidade de massa do cimento (expresso por ex. em m2/kg). A determinação determinação da superfície superfície específica específica pode ser levada levada a cabo por vários vários processos: A – A partir da curva granulométrica B – A partir da permeabilidade de um fluido que atravessa um camada de partículas C – A partir da quantidade de um gás inerte adsorvido à superfície das partículas. 2A ) Superfície específica a partir da determinação da curva granulométrica: No primeiro processo a determinação da curva granulométrica é feita por sedimentação ou elutriação das partículas a partir da dependência da velocidade de queda livre das partículas num fluído em função dos respectivos diâmetros, isto é, da Lei de Stokes. O cimento deve estar bem disperso no fluído e evidentemente este deverá ser inerte relativamente ao cimento (Neville, 1995). 70


Existem vários métodos (ver Coutinho 1988, págs. 200 a 211) baseados na Lei de Stokes entre os quais o método de Wagner . Neste método, descrito na especificação LNEC E65, determina-se a um dado nível, a concentração das partículas numa suspensão de cimento em petróleo, a partir do conhecimento da absorção luminosa de um feixe de luz que, a esse nível, passa através da suspensão – Figura 39 (Coutinho, 1988).

Figura 39 – Turbidímetro de Wagner: câmara com a fonte luminosa F, suspensão do cimento S, e célula fotoeléctrica C; conjuntos de aparelhos com o amperímetro A, e bureta para medição dos tempos B (Coutinho, 1988).

Na Figura 40 apresenta-se um exemplo de uma curva granulométrica de um cimento obtido pelo método de Wagner e a curva correspondente aos valores (acumulados) da superfície específica específica para 1 grama desse cimento.

71


Note-se que para partículas inferiores a 7.5 µm no método de Wagner assume-se que a granulometria é uniforme e que portanto o valor médio dessa fracção é 3,75 µm, o que leva a subestimar a verdadeira superfície destas partículas mais pequenas. Assim o resultado deste método terá que ser corrigido por um factor de conversão de 1,6 a 2,2, dependente da finura de cimento e do conteúdo em gesso, para ser comparável com resultados do método de Blaine que será visto em seguida (Neville, 1995).

Figura 40 – Curva granulométrica de um cimento (1 grama) obtida pelo método de Wagner e curva da superfície específica acumulada em função da dimensão dos grãos (Neville, 1995).

Outros métodos baseados na Lei de Stokes são os métodos de elutriação tais como o método do fluorómetro . O processo de elutriação é inverso da sedimentação, mas a Lei de Stokes também se aplica quando a partícula é sujeita a uma corrente ascendente de um fluído desde que a velocidade seja suficientemente pequena. O fluído que se utiliza para a curva granulométrica é

Figura 41 – Fluorómetro (Coutinho,1988)

o ar seco.

72


Outro método mais recente para a determinação da curva granulométrica é o método que utiliza o “Coulter counter” descrito por exemplo, na norma britânica BS3406.

Nos últimos anos tem-se tornado disponíveis métodos informatizados para determinar curvas granulométricas. granulométricas. Estes métodos, de difracção laser, são baseados na avaliação de pequenos ângulos de dispersão da luz. O princípio de funcionamento é baseado no facto de um feixe de luz se dispersar segundo uma gama de ângulos dependente da dimensão da partícula onde incide. Como, com um laser, é possível medir a intensidade da luz junto do feixe original então os resultados são convertidos numa curva granulométrica (Lawrence, 1998). Nas Figuras 42 e 43 apresentam-se o esquema de funcionamento de um granulómetro laser e na Figura 44 uma curva granulométrica de um cimento obtida no granulómetro do LABEST (Laboratório da Tecnologia do Betão e do Comportamento Estrutural, FEUP).

Fonte de luz azul

Célula com a amostra

Plano focal detector

Laser

Detectores laterais

detectores posteriores

Figura 42 – Esquema de funcionamento de um granulómetro laser. A difracção laser mede mede a intensidade da luz dispersa por um grupo de partículas partículas numa gama de ângulos (Catita, 2006)

73

Materiais de Construção 2 – 1ª Parte 2006 Joana de Sousa Coutinho Detectore Dete ctores s de ângul ângulo o anter anteriores iores

Partíc Par tícula ulass peq pequen uenas as dis disper persam sam em âng ângulo uloss mai maiore oress Detectores de ângulo posteriores

Célula Célu la com a amostra amostra

Partíc Par tícula ulass maio maiores res dis disper persam sam em âng ângulo uloss men menore oress

Detector do plano focal

Detectores Detec tores de ângulo anter anteriores iores

Detectores de ângulo posteriores

Célula Célu la com a amostra amostra

Detector do plano focal

Figura 43 – Difracção laser. Princípios de funcionamento (Catita, 2006)

Figura 44 – Curvas granulométricas de uma amostra amostra de CEM II 42.5 R.

74


2B) Superfície específica a partir da permeabilidade de um fluído que atravessa uma camada de partículas:

Estes métodos são baseados no facto de a resistência ao escoamento de um gás através de uma camada de pó compactado até um determinado volume, com uma porosidade conhecida, depender da superfície específica das partículas que compõem o pó. A primeira aplicação deste princípio deve-se a Lea e Nurse que, em 1939, realizaram a montagem experimental que tem o seu nome. Blaine, em 1943, simplificou a montagem, tornando o método extraordinariamente prático, transformando-o o mais popular de todos para a determinação da superfície especifica. No método de Blaine obriga-se um volume de ar a atravessar uma dada camada de pó, sob uma pressão variável, cuja variação é constante para todos os cimentos em estudo. Determina-se o tempo que tal volume de ar leva a percorrer a camada, o que permite o conhecimento do coeficiente de permeabilidade (Coutinho, 1988). O método de Blaine, normalizado pela norma NP EN 196-6 (1990) , consiste em fazer passar um determinado volume de ar a uma pressão média pré-definida em que o caudal de escoamento de ar através do cimento, vai diminuindo de uma forma constante. A massa de cimento utilizada é calculada conhecendo-se a sua massa volúmica e de tal maneira que corresponda, no contentor cilíndrico respectivo, uma camada de 10 mm de espessura e com porosidade normalizada de 0,500. O tempo que o ar demora a atravessar a referida r eferida camada no permeabilímetro de Blaine – Figura 45, é medido e a superfície específica S, do cimento é dada por:

S = K t K – constante que depende do permeabilímetro (Coutinho, 1988, Neville, 1995). Na Figura 46 podem-se observar algumas etapas da determinação da superfície específica de um cimento pelo método de Blaine.

75


Figura 45 – Pemeabilímetro de Blaine

Figura 46 – Determinação da permeabilidade

2C) Superfície específica a partir da quantidade de um gás inerte adsorvido à superfície das partículas: O método de Blaine não é aplicável a pós muito mais finos que o cimento Portland tais como sílica de fumo ou cinzas volantes e então utilizam-se métodos de adsorção de gás, em geral de azoto (BET).

76


Pensa-se hoje que, para se obter uma elevada resistência aos primeiros dias com cimentos de determinada superfície específica, que a granulometria deve ser tal que pelo menos 50% dos grãos estejam contidos na fracção 3 a 30 µm tendo portanto menos partículas muito finas ou muito grossas. Para se obter uma resistência inicial ainda mais elevada e uma resistência elevada a longo prazo parece que a gama de partículas na fracção 3 a 30µ 30 µm deverá ultrapassar 95%, sendo então necessário cuidados especiais na moagem do clínquer. O facto de as partículas de 3 a 30 µm serem benéficas parece resultar da heterogeneidade em termos de composição das partículas: Dimensão das partículas < 4 µm → partículas muito ricas em SO3 e álcalis Dimensão das partículas partículas > 30 µm → partículas muito ricas em C 2S 4µm < dimensão das partículas < 30 µm → partículas ricas em C 3S

É de referir ainda, que hoje a regulamentação não específica valores mínimos da finura, nem em termos de resíduo de peneiração nem em termos de superfície específica pois a finura é indirectamente controlada pela resistência inicial. De qualquer forma um cimento Portland terá uma superfície específica de 350-380 m 2/kg (Blaine) e de endurecimento endurecimento rápido será ainda maior (Neville, 1995).

No Quadro 7 apresentam-se valores da superfície específica de dois cimentos diferentes avaliada por três métodos: Quadro 7 – Superfície específica obtida por métodos diferentes (adaptado de Neville, 1995)

Cimento A B Portland de endurecimento normal Portland de endurecimento rápido

Superfície específica específica (m 2/kg) avaliada por: Método de Wagner M. de Lea and Nurse Adsorção de azoto (BET) (≅ Blaine) 180 260 790 230 415 1000 350-380 > 450

77


3.7.3 Resistências mecânicas A resistência mecânica do cimento é a propriedade mais importante em termos de utilização estrutural pelo que todas as normas fixam valores mínimos desta característica (Neville, 1995). Como a resistência depende, em elevado grau, das condições da amassadura, da preparação dos provetes, da natureza do ensaio escolhido, etc., é necessário prescrever a maneira exacta de ensaiar o cimento, de modo a obter resultados comparáveis (Coutinho, 1988). A nível europeu e portanto em Portugal, a resistência mecânica de um cimento é avaliada segundo a norma ( NP) EN 196-1 (2006) Métodos de ensaio de cimentos.

Determinação da resistência mecânica. Os ensaios preconizados são de flexão e compressão, embora seja a resistência à compressão a que é considerada de maior importância. Os ensaios são realizados em provetes de argamassa normalizada ao traço, em peso, de 1 parte de cimento, para 3 partes, de areia e com uma relação água/cimento água/cimento de 0,5. A resistência à compressão é obtida em provetes equivalentes a cubos de 40 mm de aresta que provêm de prismas 40 × 40 × 160 mm (três (três para cada cada idade para a qual se pretende determinar a resistência mecânica) que são inicialmente ensaiados à flexão de modo a obter-se meios prismas. Portanto é possível como opção, determinar a resistência à flexão com carga a meio vão e vão de 100 mm. (Coutinho, 1988; Neville, 1995; NP EN 196-1, 2006). A argamassa normalizada, como referido ao traço 1:3:0,5, é fabricada à temperatura de 20 ± 2oC e com pelo menos 65% de humidade relativa. A areia utilizada é uma areia normalizada CEN (Comité Europeu de Normalização) e consiste numa areia natural, siliciosa de grão arredondado com uma determinada curva granulométrica correspondente aos valores apresentados no Quadro 8. Quadro 8 – Granulometria da areia Normal.

Abertura do peneiro (mm) 2.00 1.60 1.00 0.50 0.16 0.08

Retidos acumulados (%) 0 7±5 33 ± 5 67 ± 5 87 ± 5 99 ± 1

78


A água deve ser destilada, embora para ensaios correntes seja admitida a utilização de água da distribuição pública. O cimento a ensaiar é passado por um funil com peneiro de malha 60 µm para evitar aglomerados de partículas. A amassadura é realizada mecanicamente, num misturador – Figura 47, com dimensões e características especificadas na norma e segundo um procedimento determinado, esquematizado na Figura 48.

Figura 47 – Esquema do misturador para fabrico da argamassa normal para posterior determinação da resistência de um cimento.

Figura 48 – Procedimento de fabrico da argamassa normal para posterior determinação da resistência mecânica.

Após a amassadura a argamassa é colocada em moldes de prismas com 4 × 4 × 16 cm3 onde é compactada em duas camadas num compactador – Figura 49 no qual, por cada camada, o molde de três prismas cai de uma altura de 10 mm com a frequência de uma queda por segundo durante 1 minuto.

79


Figura 49 – Molde e aparelho compactador para provetes de 4 × 4 × 16 cm3 de argamassa normal.

Depois de alisada a superfície, o molde é tapado com uma placa que pode ser de vidro e é identificado. O molde é então conservado a uma temperatura de 20 o ± 1oC e humidade relativa superior a 90%. A desmoldagem é efectuada, no máximo, 20 minutos antes do ensaio se este for às 24 horas. Para idades superiores, a desmoldagem desmoldagem pode ser feita 20 a 24 h após a moldagem. Neste caso são conservados em água a 20 ± 1oC de tal modo que a espessura de água sobre os provetes não seja menor do que 5 mm. Os provetes serão retirados da água no máximo 15 minutos antes de serem ensaiados e cobertos com um pano húmido até ao momento do ensaio. A idade exacta dos provetes a partir do momento da amassadura do cimento com a água até ao início do ensaio de flexão e compressão deve estar entre os limites referidos no Quadro 9. Quadro 9 – Limites de idade dos provetes para ensaios de resistência.

Idade 48 h 72 h 7d ≥ 28 dias

Idade exacta 48 h ± 30 m 72 h ± 45 m 7d±2h 28 d ± 8 h

O ensaio propriamente dito consiste em, com equipamento normalizado, a meio vão, aplicar uma carga vertical que cresce gradualmente ao ritmo de 50 ± 10 N/S, sem choques, até à rotura, registando-se a força máxima de rotura por flexão – Figura 50.

80


F f

h

b

l =100mm

Figura 50 – Determinação da resistência à flexão de um cimento em provetes de argamassa.

Fazendo a determinação da carga máxima de rotura por flexão para cada provete e calculando a média dos três valores, a resistência à flexão do cimento é dada por R f (MPa), pois: F f l F f l × = 2 2 4 F l / 4 1,5 F f l R f = f 2 = bh / 6 b3 Em que: F que: F f – carga aplicada ao centro do prisma, na rotura (N) M máximo =

– distância entre os apoios (mm) –

l

b – lado da secção quadrada do prisma (mm)

Os meios prismas obtidos são então ensaiados à compressão em equipamento apropriado, normalizado. normalizado. Depois de centrado em relação aos pratos da máquina – Figura 51, a cada provete é aplicada uma carga de uma forma gradualmente crescente, de modo contínuo, sem choques ao ritmo de 2400 ± 200 N/S até à rotura do provete, registando81


se a força máxima de rotura por compressão. Calculando a média dos resultados da força máxima de rotura por compressão dos seis meios prismas é possível então determinar a resistência à compressão R compressão Rc (MPa) do cimento: Rc =

F c 40 × 40

Em que: F que: F c – carga máxima de rotura por compressão (N).

Figura 51 – Determinação da resistência à compressão do cimento.

Como referido anteriormente a resistência à compressão do cimento é a propriedade mais importante tendo que obedecer a valores mínimos especificados. Entre nós as normas NP EN 197-1 e NP 4326 classificam os cimentos em termos de resistência, em cimentos de endurecimento normal e rápido. Os de endurecimento rápido, como é evidente, dizem respeito a cimentos cuja resistência é elevada aos primeiros dias e estes cimentos terão que respeitar valores especificados aos 2 dias de idade. Apresentam-se no Quadro 10 os valores mínimos característicos (95% de probabilidade de serem ultrapassados) segundo aquelas normas. Quadro 10 – Valores característicos resultantes do autocontrole efectuado pelo fabricante (NP EN 197-1)

Classe de resistência

32,5 N 32,5 R 42,5 N 42,5 R 52,5 N 52,5 R

Resistência Resistência à compressão MPa Resistência aos primeiros dias Resistência de referência 2 dias 7 dias 28 dias ≥ 16,0 ≥ 32,5 ≤ 52,5 ≥ 10,0 ≥ 10,0 ≥ 42,5 ≤ 62,5 ≥ 20,0 ≥ 20,0 ≥ 52,5 ≥ 30,0

82


Repare-se que a designação da classe diz respeito também à resistência chamada “de referência”, que corresponde à resistência à compressão aos 28 dias determinada de acordo com a NP EN 196-1.

3.7.4 Presa Já foi referido (em 3.6.1) o fenómeno de presa a propósito da hidratação do cimento pelo que se passará em seguida a descrever os métodos de ensaios relacionados com a presa, isto é, à passagem do estado líquido ao sólido, ou melhor, à rigidificação da pasta de cimento. É difícil determinar o instante em que se dá esta alteração no estado da pasta, pois esta sofre diversas gradações até atingir o estado sólido. Tem-se tentado definir o princípio da presa por diferentes métodos, como através da variação da condutibilidade eléctrica, da viscosidade e do desenvolvimento de calor, etc. Mas as dificuldades experimentais são bastante maiores do que o método imaginado há mais de um século pelo inventor do cimento Portland, Louis Vicat. Neste ensaio, normalizado pela norma NP EN 196-3 (2006) Métodos de ensaio de cimento . Determinação do

tempo de presa e expansibilidade , mede-se a resistência de uma pasta de cimento à penetração de uma agulha com 1 mm2 de secção, sob a acção de um peso de 300 g – Figura 52. Distinguem-se em geral dois períodos para o tempo de presa: início e fim. O primeiro é o tempo decorrido entre a amassadura e a perda da plasticidade, e o fim de presa é o tempo necessário para que a pasta adquira a firmeza suficiente para resistir a uma certa pressão. O primeiro passo deste ensaio consiste em fabricar uma pasta de consistência normalizada e designada por “pasta normal”. Por tentativas, vai-se juntando diferentes quantidades de água até a pasta colocada no molde tronco-cónico oferecer uma determinada resistência à penetração de uma sonda normalizada (com 10 mm de diâmetro) aplicada no aparelho de Vicat. Considera-se que a pasta é de consistência normal se a sonda penetra na pasta até uma distância de 6 ± 1 mm da base. Segue-se então a determinação do início de presa em que se vão fazendo leituras em intervalos de tempo sucessivos, com o aparelho de Vicat munido da agulha de Vicat até ao momento em que a agulha já não atravessa a pasta até ao fundo, ficando a 4 ± 1 mm da base.

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Figura 52 – Aparelho de Vicat para a determinação da consistência da pasta normal e do tempo de presa (Coutinho, 1988).

O fim de presa é determinado com uma agulha semelhante provida de um anel com 5 mm de diâmetro – Figura 53, de modo que a extremidade da agulha se projecta 0,5 mm para além da aresta deste acessório. Atinge-se o fim de presa quando a agulha, poisada na superfície do bloco de ensaio, deixa a sua marca, sem que o acessório circular imprima qualquer sinal, isto é, a agulha penetra menos de 0,5 mm.

Figura 53 – Extremidade inferior da agulha para a determinação do fim de presa (cotas em milímetros). A agulha de 1 mm2 de secção é substituída por esta no aparelho de Vicat (Coutinho, 1988).

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A regulamentação em vigor (NP EN 197-1) limita inferiormente o tempo de início de presa de acordo com a classe de resistência do cimento, de acordo com os valores do Quadro 11. Quadro 11 – Tempo de início de persa de acordo com a classe de resistência dos cimentos

Classe de resistência 32,5 N 32,5 R 42,5 N 42,5 R 52,5 N 52,5 R

Tempo de início de presa (minutos) de acordo com: NP EN 197-1 NP 4326 (c. brancos) ≥ 75

≥45

≥ 60 ≥45

3.7.5 Falsa Presa Como referido anteriormente a presa Rápida ou Instantânea resulta da reacção de hidratação exotérmica de C 3A na ausência de gesso. A Falsa Presa corresponde à rigidificação prematura da amassadura alguns minutos após o fabrico, em que não se verifica libertação de calor apreciável, sendo possível restabelecer a plasticidade com uma reamassadura, sem consequências em termos de perdas de resistência. A Falsa Presa parece ser causada sobretudo pela desidratação do gesso (CaSO 4.2H2O) durante o processo de moagem, formando-se sulfato de cálcio hemi-hidratado (CaSO 4.1/2H2O) e/ou anidrite (CaSO 4) que, em contacto com água formam cristais aciculados de gesso enrijecendo a pasta (Neville, 1995).

3.7.6 Expansibilidade É essencial que a pasta de cimento, após presa não sofra grandes variações de volume, em particular expansões que, se impedidas podem causar a destruição do material. Esse tipo de expansões podem ser causadas por hidratação retardada ou lenta (ou outras reacções) de alguns compostos presentes tais como: - óxido de cálcio livre - óxido de magnésio - sulfato de cálcio

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3.7.6.1 Expansibilidade causada por óxido de cálcio livre Se a matéria prima com que o forno é alimentado contém um pouco mais de óxido de cálcio do que o necessário para se combinar com os silicatos e aluminatos ou se a queima ou arrefecimento são insatisfatórios, o óxido de cálcio em excesso continuará livre. A sua posterior hidratação será muito lenta e acompanhada por expansões, na medida em que corresponde à extinção dessa cal livre. Repare-se que o facto de se misturar cal ao cimento (usual no fabrico de determinadas argamassas) não causa problemas de expansibilidade pois a cal hidrata antes da presa do cimento. Na realidade a cal livre do clinquer e que provoca expansibilidade, está cristalizada com outros compostos e portanto só parcialmente é que entra em contacto com a água antes da presa do cimento. Como a expansibilidade apenas se manifesta alguns meses ou mesmo anos depois do fabrico, é importante verificar esta característica através de um ensaio acelerado, criado por Le Chatelier e regulamentado pela norma NP EN 196-3 Métodos

de ensaio de cimento. Determinação da presa e expansibilidade. Este ensaio consiste em começar por fabricar pasta de consistência normal, já referida em 3.7.4 e utilizada para determinar os tempos de presa. A pasta é colocada em dois aparelhos de Le Chatelier – Figura 54. O aparelho de Le Chatelier consiste num pequeno cilindro com 30 mm de diâmetro interno e 30 mm de altura, feito de chapa de latão com 0,5 mm de espessura. O cilindro é fendido de alto a baixo ao longo de uma geratriz, estando-lhe soldadas duas agulhas, com 150 mm de comprimento, de um lado e outro da fenda. Depois de cheio com pasta de cimento, o molde é coberto com duas placas de vidro e comprimido por um pequeno peso de 150 g de encontro à pasta, sendo o conjunto mantido dentro de água a 20 ±1ºC durante 24 horas. Ao fim deste intervalo de tempo mede-se o afastamento entre as duas agulhas (e), e eleva-se a temperatura da água até 100ºC em 1 hora, mantendo-se depois esta temperatura durante 3 horas. Deixase arrefecer e torna-se a medir a distância entre as agulhas. A diferença entre as duas medições representa a expansibilidade da pasta de cimento a qual não deve exceder, no caso das normas portuguesas NP EN 197-1 e NP 4326 o valor de 10 mm (Coutinho, 1988; Neville, 1995; NP EN 196-3:2006).

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Figura 54 – Aparelho de Le Chatelier. Medidas em milímetros (Neville, 1995).

No caso de a expansibilidade ultrapassar o valor de 10 mm é possível repetir o ensaio depois de espalhar e arejar o cimento durante 7 dias em que poderá ocorrer a hidratação ou mesmo a carbonatação do óxido de cálcio. No fim deste período o ensaio de expansibilidade é repetido. O ensaio com o aparelho de Le Chatelier apenas detecta a expansibilidade provocada por óxido de cálcio livre (Neville, 1995).

3.7.6.2 Expansibilidade causada pelo óxido de magnésio Como referido a propósito do arrefecimento do clinquer (3.4.4) há toda a vantagem em evitar que a fase líquida cristalize pois, para além de outras desvantagens, o óxido de magnésio poderá cristalizar em cristais grandes ( periclase) o que provoca a instabilidade e expansibilidade do volume da pasta de cimento endurecido. De facto o óxido de magnésio é reactivo apenas sob a forma cristalina de periclase (em quantidade superior a 2% do cimento, em massa, pois até 2% combina-se com os componentes principais do cimento). Por exemplo o óxido de magnésio presente na fase vítrea é inofensivo. O óxido de magnésio (periclase) combina-se com a água de modo semelhante ao óxido de cálcio livre. Na Europa e em Portugal a regulamentação não prevê ensaios para verificar a expansibilidade do óxido de magnésio pois não é costume a presença de grandes quantidades de magnésio na matéria prima usada.

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Nos Estados Unidos é utilizado um ensaio que detecta simultaneamente a presença de óxido de cálcio livre e óxido de magnésio regulamentado pela norma ASTM C151 – 93a e que consiste no fabrico de barras de pasta de cimento colocadas em autoclave (pressão e temperatura elevadas) durante três horas. A expansão resultante tem de ser inferior a 0,8% (Neville, 1995).

3.7.6.3 Expansibilidade causada por sulfatos de cálcio Foi referido anteriormente que para evitar a presa instantânea causada por hidratação do C 3 A é necessário adicionar ao clinquer, uma certa quantidade de gesso – sulfato de cálcio bi-hidratado. Quanto mais rico é o cimento em C 3 A tanto maior a quantidade de gesso que se lhe tem de juntar. Não se pode todavia aumentar muito o teor de gesso que se adiciona ao clinquer, pois uma quantidade exagerada de sulfato pode dar origem à formação de sulfoaluminato de cálcio expansivo, em condições de fazer perigar a estrutura do cimento hidratado. Por isso o teor máximo do sulfato, expresso em trióxido de enxofre, SO3 é fixado em 3,5 e 4% dependendo do tipo de cimento, segundo a NP EN 197-1 e em 4 e 4,5% nos cimentos brancos, segundo a NP 4326.

3.7.7 Resíduo insolúvel O resíduo insolúvel é a parte do cimento que não é solúvel a quente e em determinadas condições em ácido clorídrico e é determinado por procedimento descrito na NP EN 196-2:2006. Métodos de ensaio de cimentos. Parte 2-Análise química . Dos componentes das matérias primas (em princípio calcário e argila) apenas o calcário é dissolvido no ácido clorídrico, pois a sílica, a alumina e os óxidos de ferro da argila não o são. Todavia depois da obtenção do cimento, estes compostos combinados são solúveis no ácido. Se a combinação das matérias primas fosse perfeita todo o clínquer seria solúvel no ácido e de facto, em cimentos bem cozidos a percentagem de resíduo insolúvel não excede 1% (Coutinho,1988). (Coutinho,1988). Assim, para garantir que a combinação dos componentes da matéria prima tenha sido a melhor possível e para impedir que o gesso adicionado na produção seja de má qualidade (Jackson, 1998), com impurezas que provoquem a adulteração do cimento (Neville, 1995), as normas limitam o resíduo insolúvel. Nas normas em vigor em Portugal o resíduo insolúvel é limitado a 5% para os cimentos CEMI e CEMIII, 88


segundo a norma NP EN 197-1. (Se o cimento contém cinzas volantes a quantidade correspondente pode não ser solúvel em ácido clorídrico. De facto a parte siliciosa das cinzas não é solúvel, assim como alguns dos materiais usados como constituintes adicionais minoritários). Para cimentos dos outros tipos a regulamentação não impõe valores limites.

3.7.8 Perda ao fogo Esta característica é determinada pela perda de massa do cimento a 1000ºC e demonstra o grau de carbonatação e hidratação do óxido de cálcio e de magnésio livres devido a exposição atmosférica (Neville, 1995). De facto os requisitos em termos de perda ao fogo estão associados à deterioração durante o armazenamento do cimento ou utilização de clínquer demasiado alterado por armazenamento prolongado no exterior. Um cimento com perda ao fogo elevada, normalmente apresenta baixa resistência (Jackson, 1998) Um cimento bem cozido e bem conservado deve apresentar uma perda ao fogo de 3 a 4% mas como os cimentos hoje contém muitas vezes a adição de calcário (filer) a perda ao fogo é limitada, nas normas, por um valor mais elevado, de 5 %, para cimentos do tipo CEMI e CEMIII segundo a NP EN 197-1 e sem limite para cimentos em que as percentagens de calcário (filer) podem ser elevadas.

3.7.9 Cloretos A acção dos cloretos em betão armado ou pré-esforçado é sobejamente conhecida. Os cloretos alteram o tempo de presa do cimento e a velocidade do endurecimento, mas não são perigosos para o betão simples pois não formam compostos indesejáveis com os componentes do cimento, mesmo em doses muito elevadas. Mas no caso do betão armado ou pré-esforçado, isto é, com armaduras, então já é importante a presença do ião cloro que promove a sua oxidação sob a forma de ferrugem - Figura 55. A oxidação oxidação das armaduras provoca provoca não só a diminuição diminuição da secção como também expansões, pois a ferrugem forma-se com um notável aumento de volume, como se pode verificar na Figura 56 (Sousa ( Sousa Coutinho, 1999).

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Figura 55 – Corrosão da armadura por "picadas" causada por cloretos.

Figura 56 – Volume relativo dos produtos de corrosão.

Este aumento de volume acaba por romper o revestimento do betão – Figura 57, o que acelera mais ainda o processo de corrosão (Sousa Coutinho, 1999). 90


Figura 57 – Efeitos da corrosão da armadura: (a)-fendilhação, (b)-descamação, (c)-delaminação e (d)efeito nos cantos

Assim é necessário garantir que no caso de betão armado ou pré-esforçado, não se produza, à partida, betão com cloretos pelo que se procede a ensaios para verificar a quantidade de cloretos existentes. No que se refere ao cimento a quantidade de cloretos é determinada actualmente pela

NP EN 196-2:2006 Métodos de ensaios de cimentos – Análise química de cimentos , cláusula 14. Em termos de limites do teor em cloretos no cimento, segundo a NP EN 197-1 deverá ser inferior a 0,1% da massa do cimento (Quadro 3. NP EN 197-1) para todos os cimentos correntes embora para betão pré-esforçado o cimentos possam se produzidos para satisfazer um valor inferior, valor esse que deve ser indicado na guia de remessa e marcação

( ZA.4.1, NP EN 197-1).

Segundo a normalização actual o teor de cloretos de todos os constituintes do betão devem ser somados de forma que se verifique o estipulado nas secções 5.2.7 DNA 5.2.7 da NP EN 206-1, de onde se transcreveram os Quadros 12 e 13. Quadro 12 - Máximo teor de cloretos do betão(5.2.7.,NP EN 206-1) Utilização do betão

Classe do teor de cloretos a

Sem armaduras de aço ou outros metais embebidos, com excepção de dispositivos de elevação resistentes à corrosão

Cl 1,0

Máximo teor de Cl – por massa de cimento b 1,0 %

Cl 0,20 0,20 % Cl 0,40 0,40 % Cl 0,10 0,10 % Cl 0,20 0,20 % a Para um uso específico do betão, a classe a aplicar depende das disposições válidas no local de utilização do betão ***. Quando forem utilizadas adições do tipo II e quando estas forem consideradas para a dosagem de cimento, o teor de cloretos é expresso em percentagem de iões cloreto por massa de cimento mais massa total das adições consideradas. rmaduras de aço ou outros metais embebidos Com aço de pré-esforço

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Quadro 13 - Classes de teor de cloretos do betão aplicáves em Portugal Portugal (Quadro 1/DNA, 5.2.7, NP EN 206-1) Utilização do betão

Classes de exposição ambiental XC, XF, XA XS, XD Betão sem armaduras de aço ou outros metais embebidos, Cl 1,0 Cl 1,0 com excepção de dispositivos de elevação resistentes à corrosão Betão com armaduras de aço ou outros metais embebidos Cl 0,4 (1) Cl 0,2(1) Betão com armaduras pré-esforçadas Cl 0,2 (1) Cl 0,1(1) (1) Estas classes podem deixar de se aplicar se forem tomadas medidas especiais de protecção contra a corrosão, como protecção do betão ou recobrimentos, devidamente justificados, ou utilização de aço inox.

No entanto refere-se que em relação ao betão armado e betão pré-esforçado, consideram-se os mesmos valores de 0,4% e 0,2%, em relação à massa de cimento, respectivamente, para valores do "limite crítico do teor de cloretos no betão", limite a partir do qual haverá risco de corrosão das armaduras …(Sousa Coutinho, 1999).

3.8 MODIFICAÇÕES NA COMPOSIÇÃO NO CLÍNQUER DO CIMENTO PORTLAND VERSUS USO DE ADIÇÕES Os componentes principais do clínquer Portland têm propriedades muito diversas: uns hidratam-se rapidamente, dando lugar a elevadas tensões de rotura, outros fazem-no muito mais lentamente ou libertam grandes quantidades de calor durante a reacção com a água, outros ainda são responsáveis pelas alterações químicas que originam expansões, etc.. É possível modificar a composição da matéria-prima para se obter um cimento com determinada propriedade mais pronunciada do que outras, de modo a poder satisfazer as exigências exigências da construção. As alterações que se podem levar a cabo na composição do clínquer são: 1 - redução do C 3 A 2 - redução do C 3S para que seja reduzida ou eliminada a libertação de Ca(OH) 2 que resulta sobretudo da hidratação do C 3S. 3 - aumento do C 3S para aumentar as tensões de rotura iniciais. 4 - redução ou eliminação da fase ferrítica.

1. O C 3 A é indesejável, como visto anteriormente, pelas razões seguintes: - promove a presa instantânea instantânea ou rápida

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- aumenta o calor de hidratação - é um dos responsáveis pela formação de sulfoaluminato de cálcio expansivo (etringite) quando o cimento hidratado está sujeito à acção dos sulfatos. Além destas razões também: - dificulta ou reduz a reactividade das pozolanas pois o C 3 A ao hidratar-se fixa o hidróxido de cálcio que assim não se pode combinar com as pozolanas. Assim sendo, é possível pela redução do teor em C 3 A do cimento fabricar um cimento especial designado por cimento resistente aos sulfatos .

2. O Ca(OH)2 livre resultante da hidratação de sobretudo do C 3 S, em certos casos é indesejável pois as soluções sobressaturadas de hidróxido de cálcio são o meio necessário para: - formação de sulfoaluminato de cálcio expansivo quando o cimento hidratado (ou a alumina do agregado) é atacado por sulfatos - as reacções expansivas entre a sílica reactiva do agregado e os álcalis do cimento. O C3S também é indesejável por a sua hidratação ser acompanhada de um grande desenvolvimento de calor, à semelhança do C 3A. Reduzindo a percentagem do C 3A e simultaneamente a percentagem de C 3S obtém-se os chamados cimentos de baixo calor de hidratação .

3. Em certos casos é necessário aumentar o conteúdo de C 3S para que se obtenham resistências iniciais elevadas. Estes cimentos designam-se por cimentos de elevada

resistência inicial .

4. O óxido de ferro existente no cimento é o único componente responsável pela cor do cimento pois todos os outros componentes são brancos. Baixando a percentagem de sesquióxido de ferro a valores inferiores a 0,2% obtém-se os chamados cimentos

brancos.

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Resumindo, as 4 modificações na composição do clínquer Portland apresentadas traduzem-se nos cimentos referidos com propriedades particulares: particulares: 1. Redução do C 3A no clínquer Portland →cimento resistente aos sulfatos 2. Redução do C 3A e C3S no clínquer Portland→cimento de baixo calor de hidratação 3. Aumento do C 3S no clínquer Portland →cimento elevada resistência inicial 4. Redução ou eliminação da fase ferrítica clínquer Portland →cimento branco. Alterar as propriedades do cimento Portland por modificação da proporção dos componentes não pode ir muito longe visto que todas as componentes têm de estar presentes. Além disso modificar um dos componentes poderá ter vantagem sob determinado aspecto mas terá como consequência desvantagens noutros. Por exemplo a diminuição do calor de hidratação arrasta a da resistência (diminuição das percentagens de C 3A e C 3S) e por vezes de forma que já não é recuperável, ou em medida tal que as tensões de rotura iniciais são demasiadamente baixas para os ritmos de construção que hoje se exigem. Também, o sulfoaluminato de cálcio (etringite) pode vir a formar-se sem que o aluminato do cimento Portland intervenha; isto é, quando o agregado contenha alumina reactiva e o ião sulfato chegue ao contacto com ela, no meio saturado de hidróxido de cálcio, obtendo-se sulfoaluminato sulfoaluminato expansivo. De facto, o principal inconveniente do cimento portland na resistência a certas agressões de natureza química é a elevada concentração em hidróxido de cálcio que necessita conservar no seu interior para que os principais componentes hidratados mantenham a sua estabilidade. Assim sendo, é possível uma modificação mais importante das propriedades do cimento Portland do que a conseguida pelas alterações alterações apresentadas da sua composição química. Essa modificação mais importante é a que deriva da utilização de ADIÇÔES (ver 3.9) tais como: pozolana, escória de alto-forno, (Coutinho, 1988), sílica de fumo, cinza de casca de arroz, xisto cozido, etc.. Aliás hoje, estes materias são designados, segundo a NP EN 197-1 por “constituintes “constituintes principais” dos cimentos correntes como o clínquer. A utilização da maioria destes materiais adições tem muitas vantagens:

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De facto como referido, é possível alterar propriedades particulares do cimento de uma forma muito mais versátil do que por modificações na composição do clínquer Portland. Outra vantagem importante relacionada com a durablidade do betão armado ou pré-esforçado, também já referida, tem a ver com o facto de algumas adições conferirem maior resistência a certas agressões de natureza química pois ao hidratarem consomem hidróxido de cálcio diminuindo o risco de formação de etringite (resultante da combinação de sulfatos com a alumina do cimento ou do agregado na presença de hidróxido de cálcio e água) e diminuindo também o risco de ataque dos álcalis à sílica reactiva do agregado (que também se verifica na presença de hidróxido de cálcio). Também em termos de durabilidade e, concretamente relacionado com a corrosão das armaduras, é sabido que a presença destas adições minerais no betão conduzem, em geral, a melhorias significativas da trabalhabilidade e durabilidade do betão (Mehta, 1994) armado ou pré-esforçado. A utilização destes materiais que, na maioria são subprodutos industriais (por ex. cinzas volantes, sílica de fumo, escórias de alto-forno) ou obtidos a partir de resíduos de agricultura (cinza de casca de arroz) valoriza-os e evita os impactes ambientais provenientes da deposição como resíduos de materiais que poluiriam a terra, a água e o ar (Mehta, 1994). Substituir parcialmente o clínquer Portland por adições corresponde a uma menor emissão de CO 2, que é um dos gases que contribui para o efeito de estufa e consequentes alterações climáticas . Substituir parcialmente o clínquer Portland por adições corresponde a menor gasto de energia uma vez que a sua preparação consome muito menos energia (ou nenhuma no caso de um subproduto) do que a consumida no fabrico do cimento. No início do presente milénio o consumo mundial de cimento cifra-se em cerca de 1,5 biliões de ton./ano (Glass, 2001) cuja produção é responsável por uma quantidade semelhante de emissão de CO 2 para a atmosfera (Mehta, 1994) que é um dos gases responsáveis pelos conhecidos efeitos atmosféricos atmosféric os como o aquecimento global, redução da camada de ozono e chuvas ácidas. O consumo de cimento deverá atingir um 95


valor próximo de 2 × 1012 toneladas em 2010 e existem quantidades suficientes de subprodutos pozolânicos e cimentícios que podem substituir (parcialmente) o clínquer Portland, pelo que se prevê que, então, já não seja necessário aumentar a produção de clínquer Portland (Mehta, 2001). Note-se que a emissão de CO2 representa presentemente uma das questões ambientais mais importantes sendo que o Protocolo de Kyoto adoptado na Conferência Internacional para ao Prevenção do Aquecimento Global em 1997, exigia que o Japão, EUA e UE reduzissem até 2010 as suas emissões de gases que provocam efeito de estufa em 6, 7 e 8% respectivamente, comparadas com os níveis de emissões de 1990. Embora alguns países, como reflexo do Protocolo de Kyoto, tenham começado a implementar medidas legais, os objectivos propostos não estão a ser cumpridos e as emissões de CO 2 ainda continuam a crescer (fib Bulletin 28, 2004).

3.8.1 Cimento resistente aos sulfatos Um cimento resistente aos sulfatos é um cimento em que o aluminato tricalcico é abaixo de um dado limite ou mesmo nulo. Antigamente estes cimentos só se conseguiam obter por modificações na produção que alterassem a proporção dos constituintes constituintes principais de forma a reduzir o C 3A. Hoje em dia os cimentos resistentes aos sulfatos são–no em graus diferentes e não são exclusivamente obtidos por modificações no fabrico do clínquer pois além do clínquer, muitos tipos destes cimentos contem constituintes principais (adições minerais) que reduzem a quantidade do C 3A. O clínquer em que o aluminato tricálcico se não forma é, ( isto é, C 3A=0) como dito anteriormente aquele em que a alumina e o sesquióxido de ferro se encontram em proporções tais que: Al2O3 ≤ 0,64 Fe2O3 As desvantagens de um clínquer de cimento (com boa resistência aos sulfatos) com baixo teor de alumina e maior teor em óxido de ferro, é difícil de fabricar, como verificado por Michaelis em 1901, pelas razões seguintes: - dificuldade de obter matérias-primas com pouca alumina

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- dificuldades na cozedura do clínquer - dificuldades no endurecimento endurecimento do cimento Em 1908 Fabio Ferrari retomava o estudo da fabricação deste cimento patenteando em 1919 com um método de fabrico do cimento que tinha o seu nome, designado também, por vezes, por cimento férrico (Coutinho, 1988) Hoje também se fabrica na Alemanha um cimento designado por Erz equivalente ao cimento Ferrari (Neville, 1995). Nos Estados Unidos é fabricado um cimento com baixo teor de C 3 A, A, designado por cimento por cimento resistente aos sulfatos (Tipo V, ASTM) e não pode conter mais de 5% de C 3 A (Coutinho, 1988). A norma Britânica BS 4027 (1991) estabelecia para este tipo de cimento, um máximo de 3,5% de C 3 A (e para o conteúdo em SO 3, de 2,5%) (Neville, 1995). Em Portugal, na especificação do LNEC E 464 Betões. Metodologia

prescritiva para uma vida útil de projecto de 50 e de 100 anos face às acções ambientais (2005) é referido que: Quando a agressividade química provier da acção dos sulfatos, presentes na água ou nos solos em contacto com o betão, a composição do clínquer dos cimentos ou das correspondentes misturas deve satisfazer os limites indicados no Quadro (14) quanto à composição de clínquer de cimentos resistentes aos sulfatos. Poder-se-ão utilizar cimentos (ou misturas) não respeitando estes valores se os cimentos (ou as misturas) satisfizerem o estabelecido na Especificação LNEC E 462 após a realização do ensaio de resistência aos sulfatos nela previsto. Quadro 14 - Composição do clínquer de cimentos resistentes aos sulfatos (E 464, 2005) Tipo de cimento CEM I (1) CEM II (2) CEM III,IV,V(3) Teor C3 A

de XA2

5%

8%

10 %

XA3

5%

6%

8%

Teor de (C3 A+C4 AF) (1)

20 %

25 %

Aplicável também aos cimentos CEM II/A-L, II/ALL e II/A-M

(2)

Só aplicável aos cimentos CEM II/S, II/D, II/P e II/V (3)

Só exigível aos cimentos CEM III/A, IV/A e V/ A

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No futuro e em termos de normalização europeia a Emenda A2 da EN197-1, ainda em estudo, irá incluir na EN 197-1 os cimentos correntes (ver 3.10) resistentes

aos sulfatos que poderão ser 7 produtos diferentes de 3 grupos tipos principais (CEMI, CEM III e CEM IV): CEM I…-SR 0 Cimento Portland resistente aos sulfatos (clínquer com 0% de C3A) CEM I …-SR 3 Cimento Portland resistente aos sulfatos sulfatos (clínquer C 3A ≤ 3%) CEM I …-SR 5 Cimento Portland resistente aos sulfatos sulfatos (clínquer C 3A ≤ 5%) CEM III/B…-SR S Cimento de alto forno resistente aos sulfatos sulfatos CEM III/C…-SR S Cimento de alto forno resistente aos sulfatos sulfatos CEM IV/A…-SR P Cimento pozolânico resistente aos sulfatos CEM IV/B…-SR P Cimento pozolânico resistente aos sulfatos Note-se que no projecto de norma daquela emenda o teor em C 3A do clínquer é calculado pela expressão seguinte: C3A = 2,65 A – 1,69 1,69 F ( Para C 3 A=0

→

Al2O3 ≤ 0,64 ) Fe2O3

Em que A é a percentagem de óxido de alumínio (Al 2O3) em massa de clínquer e F é a percentagem de óxido de ferro (III) em massa de clínquer determinados de acordo com a EN 196-2. A composição dos 7 produtos correspondentes a cimentos correntes resistentes aos sulfatos tem de estar de acordo com a composição referida na Emenda A2 que é mais exigente do que a referida na EN 197-1 e tem de respeitar requisitos adicionais também apresentados na Emenda.

Não utilização de cimento resistente aos sulfatos em água do mar : Note-se que o uso de cimento resistente aos sulfatos pode ser desvantajoso quando existe o risco de presença de cloretos em betão armado ou pré-esforçado. De facto o C 3 A do cimento fixa os cloretos formando cloroaluminatos (ou sal de Fridell) atrasando portanto a despassivação e corrosão das armaduras. Este é o caso em

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estruturas sujeitas a água do mar que contém sulfatos potencialmente muito agressivos mas que o ataque destes é moderado pela presença de cloretos (Neville, 1995; Sousa Coutinho, 1998).

3.8.2 Cimentos de baixo calor de hidratação O aumento de temperatura no interior do betão em massa, devido ao desenvolvimento de calor de hidratação do cimento e da baixa condutibilidade térmica do betão podem levar à fissuração deste material (Neville, 1995), como visto em 3.6.3. Assim, neste tipo de aplicações é necessário usar um cimento designado por de baixo

calor de hidratação em que a taxa de desenvolvimento de calor é limitada. Hoje os cimentos de baixo calor de hidratação podem ser obtidos por uso de outros constituintes principais (adições minerais) além do clínquer, embora antigamente só se obtivessem por modificações no fabrico do clínquer. Estas modificações alteravam as proporções dos constituintes principais relativamente ao clínquer Portland reduzindo as percentagens de C 3 A e de C 3S tal S tal que a soma destes constituintes rondasse os 30%. A redução dos componentes C 3S e C3A que se hidratam mais rapidamente, tem como consequência um desenvolvimento mais lento da resistência desse cimento de baixo calor de hidratação, comparado com cimento Portland normal, mas a resistência a longo prazo não é afectado, pois exige-se que a superfície específica seja pelo menos de 320 m2/kg (Neville, 1995) ou indirectamente, controla-se a finura através de requisitos de resistência. Antigamente consideravam-se cimentos de baixo calor de hidratação aqueles que até aos 7 dias libertam 60 ou menos calorias por grama (250 J/g). (Os cimentos correntes portugueses chegavam a ter cerca de 80 cal/g de calor de hidratação aos 7 dias). Se a matéria prima não contivesse ferro em quantidade suficiente para a formação da fase férrica, juntava-se minério de ferro ou outros materiais ricos em ferro à matéria prima para baixar a percentagem do aluminato tricálcico e obter aluminoferrato de cálcio e ferrato de cálcio (Coutinho, 1988). O primeiro cimento de baixo calor de hidratação produzido foi utilizado em grandes barragens de gravidade nos Estados Unidos (ASTM Tipo IV), embora agora não se produza naquele país pois consegue-se resolver o problema do desenvolvimento excessivo de calor de hidratação pelo uso de pozolanas ou cinzas volantes e uma menor dosagem de cimento de moderado calor de hidratação (Tipo II, ASTM) (Neville, 1995) 99


A norma inglesa BS 1370: 1979 limitava o calor de hidratação destes cimentos a 60 cal/g (250 J/g) aos 7 dias e a 70 cal/g aos 28 dias (290 J/g). Hoje em dia os cimentos de baixo calor de hidratação são–no em graus diferentes e não são exclusivamente obtidos por modificações no fabrico do clínquer pois além do clínquer, muitos tipos destes cimentos contem constituintes principais (adições minerais) que reduzem o calor de hidratação. De facto, na Europa, presentemente, quando há necessidade de controlar o calor de hidratação consideram-se dois grupos de cimentos: Os cimentos correntes de baixo calor de hidratação indicados na designação do cimento por LH em que o calor de hidratação não deve exceder o valor característico de 270 J/g determinado de acordo com a NP EN 196-8, aos 7 dias ou com a NP EN 196-9 às 41h. Estes cimentos correntes de baixo calor

de hidratação (LH) foram incluídos recentemente na EN 197-1 pela emenda 1 já publicada entre nós ( NP EN 197-1:2001/A1:2005) 197-1:2001/A1:2005) e Os cimentos especiais de muito baixo calor de hidratação , indicado na designação do cimento por VLH (<220 J/g, aos 7 dias segundo a EN 196-8) são contemplados na norma NP EN 14216:2005 . Os métodos de ensaio para determinar o calor de hidratação de um cimento vem especificados nas normas seguintes:

NP EN 196-8:2006 Métodos de ensaios de cimentos. Parte 8: Calor de hidratação – Método da dissolução. NP EN 196-9:2006 Métodos de ensaio de cimentos Parte 9:Calor de hidratação – Método semi-adiabático.

3.8.3 Cimento de elevada resistência inicial Por vezes uma das qualidades que se pretende do cimento é que possua tensões de rotura iniciais elevadas, de modo que possa ter, aos 2 dias, por exemplo, a resistência que o cimento normal possui aos 7 dias ou mesmo aos 28 dias. Assim se consegue

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desmoldar mais cedo, colocar mais cedo em serviço partes das estruturas, etc.. É o que se pretende com os chamados cimentos de elevada resistência inicial que se obtém por meio de: composição química adequada (aumento do C 3S) preparação mais cuidada da matéria prima (maior finura do cru) maior grau de cozedura, promovendo mais longa permanência no forno e subindo um pouco a temperatura e, finalmente, (o mais importante de tudo) moendo o clínquer mais finamente. Muitas vezes mesmo esta última medida é suficiente para obter cimento de elevada resistência inicial. Estes cimentos, porque possuem uma fluência maior do que os cimentos normais, são mais susceptíveis de fissurar, libertando também mais calor durante a hidratação devido ao facto de possuírem componentes de maior resistência inicial (C 3S e C3A) que são componentes que libertam mais calor durante a hidratação (Coutinho, 1988). Note-se que a utilização de adições minerais pozolânicas ou hidráulicas latentes não terão influência nesta propriedade da resistência nas primeiras idades uma vez que estes ligantes de misturas com estes materiais demoram, em geral, mais tempo a atingir resistências equivalentes ao cimento Portland. Os cimentos de elevada resistência inicial (classes R ) tem que respeitar valores mínimos especificados especificados para os 2 dias na norma NP EN 197-1, como referido em 3.7.3.

3.8.4 Cimento branco Pode-se alterar a cor do cimento reduzindo a percentagem de óxido de ferro pois, por mero acaso, os componentes do cimento são todos brancos, e a alteração desta cor é exclusivamente devida à existência de ferro. Os cimentos com percentagens de sesquióxido de ferro inferiores a 0,2% são praticamente brancos. Foi já referido que não existe norma europeia específica para cimentos brancos mas em Portugal existe uma norma própria:

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NP 4326 (1996) Cimentos brancos. Composição, tipo, características e verificação da conformidade . Os cimentos brancos tem de estar também de acordo com:

NP 4435:2004. Cimentos Condições de fornecimento e recepção. Em Portugal o cimento branco é fabricado em Pataias pela SECIL.

3.9 ADIÇÕES OU SUBSTITUTOS PARCIAIS DO CIMENTO CIM ENTO PORTLAND Uma adição é um material inorgânico finamente dividido (de finura menor ou igual à do cimento) que pode ser adicionado ao betão na amassadura com a finalidade de melhorar certas propriedades ou para adquirir propriedades especiais. Existem dois tipos de adições: Tipo I → adições quase inertes. Ex : Filer calcário - LNEC E 466, 2005. FÍLERES CALCÁRIOS PARA LIGANTES HIDRÁULICOS. Características e requisitos de conformidade. Tipo II → adições hidráulicas latentes. Ex: Escórias de alto forno, adição presentemente regulamentada pela especificação do LNEC E375:1993 - Escória granulada de alto forno moída para betões. Características e verificação da conformidade. Em breve as escórias serão cobertas pelas normas: EN 15167-1 (FINAL DRAFT DRAFT pr, 2006) Ground granulated blast furnace slag slag for use in concrete, mortar and grout - Part 1: Definitions, specifications and conformity criteria (harmonizada (harmonizada). ). EN 15167-2 (DRAFT pr, 2005) Ground granulated blast furnace slag for use in concrete, mortar and grout - Part 2: Confomity evalutation.

Tipo II → adições com propriedades pozolânicas. Exs: Pozolana natural - NP 4220:1993 – Pozolanas para betão. Definições, especificações e verificação da conformidade. Cinza volante – NP EN 450-1:2006 – Cinzas volantes para betão. Definições, exigências e controlo harmonizada). da qualidade (harmonizada). NP EN 450-2:2006 – Cinzas volantes para betão. Avaliação da conformidade. Sílica de fumo NP EN 13263-1:2006 Sílica de fumo para betão. Parte 1: Definições requisitos e harmonizada). critérios de conformidade (harmonizada). NP EN 13263-2:2006 Sílica de fumo para betão. Parte 2: Avaliação da conformidade.

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Estes materiais podem vir já de fábrica incorporados com cimento Portland constituindo os 27 produtos da família de cimentos correntes (ver 3.10) de acordo com a NP EN 197-1 (Nesta situação em rigor não se utiliza o termo “adição” para designar estes materiais, mas sim constituintes principais como o clínquer). Em seguida são descritas propriedades das adições/constituintes principais mais importantes.

3.9.1 Fíleres e filer calcário (L, LL). Cimentos Portland de calcário (CEM II-L e LL) 3.9.1.1 Definição e características Um filer é um material finamente moído com finura sensivelmente idêntica à do cimento Portland e que devido às suas propriedades físicas tem um efeito benéfico em algumas propriedades do betão, tais como na: Trabalhabilidade Densidade Permeabilidade Capilaridade Exsudação e Tendência para a fissuração.

Os fileres podem melhorar a hidratação do cimento Portland na medida em que funcionam como centros de nucleação das reacções. Em geral os fileres são inertes do ponto de vista químico e terão de estar de acordo com a NP EN 12620:2004 para serem utilizados em betão. É de referir que, no entanto, ultimamente alguns cientistas pensam que os fileres calcários possam contribuir para uma das formas, recentemente descobertas, de ataque do betão por sulfatos com formação de taumasite (Sousa Coutinho, 2001). O filer mais utilizado é, na realidade, o filer calcário – Figura 58. Se suficientemente moído (s.e.> 500 m 2/kg, Blaine) e devidamente misturado no cimento, o fíler calcário pode ser Figura 58 – Filer calcário (à direita) (Secil).

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usado para reduzir a dosagem de água devido a melhoria da granulometria do total das partículas a incorporar no betão (Jackson, 1998).

3.9.1.2 Regulamentação Em termos de regulamentação regulamentação em Portugal, tem-se o seguinte: Para o fíler como constituinte principal do ligante considera-se portanto a NP

EN 197-1 que como vimos, define os respectivos requisitos e apresenta as proporções em que deve ser considerada como substituto parcial do clínquer, portanto, nos cimentos comercializados (ver 3.10). De facto aquela norma prevê a sua utilização até 5% em qualquer cimento e até 35% se em conjunto com apenas clínquer Portland, constituindo constituindo os cimentos Portland de calcário (CEM II/A-L, CEMII/B-L, CEM II/A-LL, CEM II/B-LL). O filer calcário incorporado nos cimentos correntes obedece aos seguintes requisitos, de acordo com a NP EN 197-1: O teor de carbonato de cálcio (CaCO 3 ), calculado a partir do teor de óxido de cálcio, deve ser pelo menos 75 % em massa. O teor de argila, determinado pelo ensaio do azul de metileno, segundo a NP EN 933-9, não deve exceder 1,20 g/100 g. (Para este ensaio, o calcário deve ser finamente moído a uma finura de aproximadamente 500 m2 /kg determinada como superfície específica segundo a NP EN 196-6, Blaine ). O teor de carbono orgânico total (TOC), quando ensaiado de acordo com o pr EN 13639: 1999, deve estar conforme com um dos seguintes critérios: - LL: não deve exceder exceder 0,20 % em massa; - L: não deve exceder 0,50 % em massa

(NP EN 197-1, 2001).

Note-se que o teor de carbono orgânico total (TOC) tem a ver com a matéria orgânica presente. presente.

Para o fíler calcário como adição (acrescentado na amassadura do betão) para melhorar a granulometria dos finos, tem de obedecer a especificação LNEC E 466, 2005. FÍLERES CALCÁRIOS PARA LIGANTES HIDRÁULICOS. Características Características e requisitos de conformidade, onde são consideradas 4 classes (A e D) de acordo com a s.e. (Blaine) de 200 a mais de 600 m 2/kg. embora aquela especificação passe a ser substituída substituída pelas normas EN 15167-1 e EN 15167-2 logo que publicadas entre nós.

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3.9.2 Escória de Alto Forno. Cimentos Portland de escória (CEM II-S) e cimentos de alto forno (CEM III) As adições tipo II, ou materiais que substituem parcialmente o cimento Portland, podem ter propriedades hidráulicas latentes ou então propriedades

pozolânicas.

3.9.2.1 Propriedades hidráulicas latentes Um material com propriedades hidráulicas latentes, por exemplo as escórias de alto forno (slag ou ggbs) é um material que permite a formação de silicatos e aluminatos de cálcio hidratados, isto é, são verdadeiros cimentos, mas reagem com extrema lentidão quando usados isoladamente e portanto sem aplicação prática. A activação pode ser feita pela junção de soda ou potassa caustica (álcalis), cal, silicato de sódio ou mesmo de cimento portland pois o pH sobe para um valor de 12 (ou mais) activando as reacções de hidratação das escórias. A hidratação do cimento produz, como se sabe, uma grande quantidade de hidróxido de cálcio.

3.9.2.2 Escória - Definição e características A escória de alto forno é um subproduto do fabrico do ferro fundido. De facto o minério de ferro é constituído por uma mistura de óxidos de ferro (dos quais a hematite e a magnetite são os principais) com outras substâncias ricas em cálcio, silício e alumínio. O minério de ferro, carvão e um fundente (em geral calcário) são lançados na parte superior do alto forno. Esta mistura vai descendo lentamente e aquecendo, até à zona de fusão onde atinge temperaturas da ordem dos 1500 oC. Na parte inferior do alto forno recolhem-se duas substâncias com densidades diferentes, o ferro fundido e um material mais leve designado por escória (Coutinho, 1988). A escória é portanto um subproduto industrial, produzindo-se cerca de 300 kg para cada tonelada de ferro e consiste numa mistura de OCa, SiO 2 e Al2O3, isto é, os mesmos óxidos que compõem o cimento Portland, mas em proporções diferentes (Neville, 1995).

105


A escória tem várias aplicações tais como:  agregados para betão ou estradas 

matéria prima para produção de agregados leves para betão (escórias expandidas)



lã de escória para isolamentos térmicos



indústria do cimento: como matéria prima para fabricar cimento (adicionado ao calcário e entrando no forno para produzir clínquer) (Coutinho, 1988) o

como material cimentício moído com determinada finura e usado com um reactivador, como já referido. É utilizado por exemplo em argamassas de assentamento de alvenaria (Neville, ( Neville, 1995)

o

como adição ou substituto parcial do cimento (Coutinho, 1988).

Note-se que nem todas as escórias são adequadas para adicionar ao cimento e apenas servem para esse fim as que tem uma estrutura física apropriada e uma composição química média dentro dos limites seguintes (em massa):

Segundo a NP EN 197- 1 a escória granulada de alto forno a utilizar nos cimentos resulta do arrefecimento rápido de uma escória fundida de composição apropriada, obtida da fusão do minério de ferro num alto forno e contem pelo menos dois terços em massa de escória vitrificada e possui propriedades hidráulicas quando activada apropriadamente. A escória granulada de alto forno deve ser constituída por pelo menos dois terços em massa da soma de óxido de cálcio (CaO), de óxido de magnésio (MgO) e de dióxido de silício (SiO 2 ). O restante contem óxido de alumínio (Al 2O3 ), juntamente com pequenas quantidades de outros compostos. A relação em massa CaO+MgO)/SiO CaO+MgO)/SiO2 deve exceder 1,0 (NP EN 197-1). O óxido de magnésio presente não é cristalino pelo que não oferece problemas. A massa volúmica é cerca de 2.9 g/cm 3 pelo que a massa volúmica de cimentos com escória é um pouco mais baixa que o cimento portland (~3.1 g/cm 3) (Coutinho, 1988, LNEC E 375, 1993; Neville, 1995). Na Figura 59 apresenta-se uma fotografia de escória. Em termos físicos deve encontrar-se no estado amorfo (>66%, segundo LNEC E 375, 1993), o que se consegue na prática, através de um arrefecimento rápido desde o estado de fusão (1500 oC) até à temperatura normal o que se faz por lançamento em tanques de água fria processo designado por granulação (Coutinho, 1988). 106


Figura 59 – Escória (Secil).

A partir de 1970 começou a usar-se também um processo mais eficaz, designado por peletização, em que a escória em fusão é expandida por tratamento por injecção de água e passada por uma roda dentada que projecta o material em pequenas partículas arrefecidas por jactos de água – Figura 60 (Malhotra, 1997). A escória obtida por este processo contém menos água (Coutinho, 1988). A escória granulada de peletização é depois moída de modo a ter uma finura superior a 2750 cm 2/g, no caso de ser usada como adição. Pode ser moída em conjunto com o clinquer nos cimentos de escória ou adicionada no final da moagem do clinquer.

Figura 60 – Peletização da escória fundida. A escória fundida é expandida por injecção de água, cai sobre a roda dentada que a projecta em partículas arrefecidas por jactos de água (Coutinho, 1988).

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Existe também um processo de utilização de escória designado por processo Trieff (Bélgica) em que a escória ainda molhada é moída e armazenada em pasta para depois ser aplicada como adição ao betão, na amassadura, juntamente com cimento Portland. O custo de secagem é assim evitado e além disso a moagem em meio húmido é mais eficaz obtendo-se um produto mais fino (Coutinho, 1988, Neville, 1995).

3.9.2.3 Regulamentação Em termos de regulamentação, em Portugal, tem-se o seguinte: Para as escórias como constituinte principal do ligante considera-se a NP EN

197-1 que define escória e que apresenta as proporções em que deve ser considerada como substituto parcial do cimento, portanto, nos cimentos comercializados (ver 3.10). A escória utiliza-se nos cimentos correntes em proporções de 6 a 95% (NP EN 197-1, 2001) e como referido as propriedades hidráulicas aparecem se em presença de meio altamente alcalino. Os cimentos referidos na NP EN 197-1 (2001) Portland de escória (CEM II/A-S e CEM II/B-S) podem conter de 6 a 35% de escória de alto forno, contendo sempre pelo menos 65% de clinquer Portland. Os cimentos de alto forno, CEM III, referidos também na NP EN 197-1 são cimentos que contém mais de 35% de escória de alto forno, podendo conter até 95% deste material com propriedades hidráulicas latentes e contém sempre clínquer Portland Portland (de 5 a 64%) (CEM III/A, CEM III/B e CEM III/C). Para as escórias como adição (na altura da amassadura do betão) considera-se a especificação LNEC E 464 (2005). Metodologia prescritiva para uma vida útil de

projecto de 50 e de 100 anos face às acções ambientais que refere as condições em que as escórias podem ser utilizadas e estabelece a aptidão duma dada mistura, incluindo por ex. escórias, para ser constituinte do betão. As escórias terão de estar de acordo com a especificação do LNEC E 375 Escória granulada de alto forno

moída para betões. Características e verificação de conformidade (1993) que estabelece as respectivas exigências embora aquela especificação passe a ser substituída pelas normas EN 15167-1 e EN 15167-2 logo que publicadas entre nós.

3.9.2.4 Vantagens do uso de escórias A utilização de escória como adição ou substituto parcial do cimento Portland corresponde não só à utilização de um subproduto industrial, com todas as vantagens

108


que daí advém em termos ambientais, como implica uma economia de combustível (cerca de 200 kg de carvão em média por cada tonelada de clínquer substituído por uma tonelada de escória segundo Coutinho, 1988). Os produtos da hidratação da escória são semelhantes aos produzidos na hidratação do cimento Portland com a diferença de que não se produz hidróxido de cálcio (Soroka, 1993). Esta ausência é importante pelo facto de não conduzir a soluções sobressaturadas de hidróxido de cálcio no interior (Coutinho, 1988), condição essencial à degradação do betão como visto anteriormente, por: 

ataque por sulfatos aos aluminatos do cimento ou alumina do agregado,

formando-se etringite com expansões. 

ataque por álcalis à sílica reactiva dos agregados.

Isto é, nestas condições o cimento de escórias é eficaz em termos de durabilidade. No caso de teores elevados de escória (>50%) não se formam os produtos de hidratação do C 3A que se encontram no cimento Portland mas sim um aluminato bicálcico hidratado, o que faz com que estes cimentos com elevado teor de escórias tenham elevada resistência química (Coutinho, 1988). Na Figura 61 apresenta-se o efeito da substituição de cimento Portland por escória (de 40 a 65%) que reduz consideravelmente a expansão provocada por reacção álcalis-silica reactiva do agregado (Soroka, 1993). Na Figura 62 é apresentado o efeito da substituição crescente por escórias na resistência à penetração de cloretos em betão.

Figura 61 – Efeito da substituição de cimento Portland com escória granulada de alto forno na expansão provocada por reacção álcalisagregado observada em provetes de argamassa (Soroka, 1993).

Figura 62 – Difusão de cloretos em prismas de betão (Regourd, 1998).

109


3.9.3 Pozolanas. Actividade pozolânica. Classificação das pozolanas As pozolanas são substâncias naturais ou artificiais de composição siliciosa (SiO2) ou silico-aluminosa (SiO 2 e Al2O3) e adicionalmente óxido de ferro (Fe 2O3) e outros óxidos. óxidos. As pozolanas não endurecem, por si próprios quando misturados com água, mas, quando finamente moídos e na presença de água, reagem à temperatura ambiente normal com o hidróxido de cálcio dissolvido (Ca(OH) 2) para formarem compostos de silicato e aluminato de cálcio desenvolvendo resistência. Estes compostos são similares àqueles que são formados no endurecimento dos materiais hidráulicos.

Isto é, em termos de composição os materiais pozolânicos pozolânicos são compostos por:

SiO2 (> 25% em massa) + Al 2O3 e ainda Fe2O3 CaO (reactivo) << etc

Portanto uma pozolana reage com hidróxido de cálcio formando gel C-S-H mas estes compostos hidratados não são tão ricos em cálcio como os obtidos na hidratação do cimento Portland, não necessitando de contacto com soluções sobressaturadas de Ca(OH)2 (Coutinho, 1988; Soroka, 1993). Para que haja reactividade pozolânica, isto é, capacidade de o material se combinar com o hidróxido de cálcio, é necessário que a sílica e a alumina não estejam em elevado grau de cristalinidade: por exemplo o quartzo é perfeitamente inerte. A reactividade da pozolana está portanto ligada à sua estrutura interna: ela será tanto maior quanto mais afastado estiver do estado cristalino. Como a reacção entre a pozolana e a cal (Ca(OH) 2)se realiza com um dos componentes – a pozolana – no estado sólido, o estado da sua superfície é determinante para o início da reacção. Além disso é necessário que a área superficial em contacto com o outro reagente – o hidróxido de cálcio que se encontra dissolvido – seja a maior possível. Assim, é habitual que a superfície específica destes materiais atinja valores duplos ou triplos dos do cimento, isto é de 600 a 1000 m 2/kg (Coutinho, 1988). 110


Em termos de classificação as pozolanas podem ser:

Naturais Artificais

Subprodutos industriais

Subprodutos da agricultura

Rochas lávicas meteorizadas meteorizada s

P

diatomite

P

Argilas/xistos termicamente activados (ex:metacaulino) Cinza volante calcária

Q,T W

Cinza volante siliciosa

V

Sílica de fumo

D

Cinza de casca de arroz

. A grande vantagem de utilização de pozolanas, nomeadamente dos cimentos pozolânicos (D,P,Q,V,W) (ver 3.10) é a redução da taxa de desenvolvimento de calor durante a hidratação – ver Figura 64, pelo que estes cimentos são cimentos de baixo calor de hidratação. Além desta vantagem o cimento pozolânico oferece alguma resistência ao ataque por sulfatos e ao ataque por ácidos fracos (Neville, 1995).

3.9.4 Pozolanas naturais As pozolanas naturais são provenientes de magmas geralmente ácidos, isto é ricos em sílica, que solidificaram rapidamente durante uma erupção e que ficaram no estado amorfo, ou cripto-cristalino. cripto-cristalino. A reactividade reactividade pozolânica é ainda aumentada depois de esta lava se ter meteorizado (Coutinho, 1988). Em geral o processamento destes materiais resume-se a britagem, moagem e peneiração. Além das rochas lávicas tais como cinzas vulcânicas e depósitos de lava, existe outro tipo de pozolanas naturais constituído constituído por diatomite (Soroka, 1993). Na Madeira, nos Açores e em Cabo Verde existem pozolanas naturais. Em Itália existem vários tipos de pozolanas naturais, usadas já desde os tempos dos Romanos. Na Figura 63 apresenta-se uma fotografia SEM de uma pozolana italiana e na Figura 64 o efeito da substituição substituição parcial do cimento por pozolana natural italiana italiana no calor de hidratação (Soroka, 1993). 111


Figura 63 – Foto SEM (Microscopia electrónica de varrimento) de uma pozolana de Bacoli (Itália) aumentada 600 vezes (Massazza, 1998)

Figura 64 – Efeito da substituição parcial parcial do cimento por pozolana natural italiana no calor de hidratação (Soroka, 1993).

3.9.5 Pozolanas artificiais Quanto às pozolanas artificais as argilas ou xistos naturais não exibem à partida propriedades pozolânicas, mas quando aquecidas a temperaturas entre 500 e 900 oC passam a ter propriedades pozolânicas (Soroka, 1993; NP EN 197-1) A NP EN 197-1 considera dois tipos de pozolanas artificiais: 112


Pozolana natural calcinada (Q)

Pozolanas naturais calcinadas são materiais de origem vulcânica, argilas, xistos ou rochas sedimentares, activados por tratamento térmico. Xisto cozido (T)

O xisto cozido, especificamente xisto betuminoso cozido, é produzido num forno especial a temperaturas de cerca de 800 ºC. Devido à composição do material natural e ao processo de produção, o xisto cozido contem fases de clinquer, principalmente silicato bicálcico e aluminato monocálcio. Também contem, além de pequenas quantidades de óxido de cálcio livre e de sulfato de cálcio, maiores quantidades de óxidos

que

reagem

pozolanicamente,

especialmente

dióxido

de

silício.

Consequentemente, quando finamente moído, o xisto cozido revela acentuadas propriedades hidráulicas como o cimento Portland e, complementarmente, propriedades ropriedades pozolânicas. pozolânicas. O xisto cozido adequadamente moído deve ter uma resistência à compressão de pelo menos 25,0 MPa aos 28 dias, quando ensaiado de acordo com a NP EN 196-1. A argamassa de ensaio deve ser preparada somente com xisto cozido finamente moído, em vez de cimento. Os provetes de argamassa devem ser desmoldados 48 horas depois da preparação e curados num ambiente húmido, de humidade relativa de pelo menos 90 % durante o ensaio. A expansão (expansibilidade) do xisto cozido não deve exceder 10 mm, quando ensaiado segundo a NP EN 196-3 usando uma mistura de 30 % em massa de xisto cozido moído e 70 % em massa de um cimento CEM I conforme com a NP EN 197-1. Se o teor de sulfato (SO 3 ) do xisto cozido exceder o limite superior admissível para o teor de sulfato do cimento, então esta situação tem de ser tida em conta para o fabrico do cimento, por redução apropriada dos constituintes que contêm sulfato de cálcio (NP EN 197-1, 2001).

Das pozolanas naturais calcinadas salienta-se o metacaulino que é obtido por calcinação de argila caulinítica a uma temperatura entre 650 a 850 oC e posterior moagem, até se obter uma finura de cerca de 700 a 900 m 2/kg (Neville, 1995) O

113


metacaulino como substituto parcial do cimento, contribui para a durabilidade do betão (Sampaio, Sousa Coutinho e Sampaio, 2001; Sousa, 2005).

3.9.6 Cinza volante 3.9.6.1 Definição e características A cinza volante é um subproduto industrial obtido por captação das poeiras dos gases de combustão das fornalhas alimentadas com carvão pulverizado. De facto o carvão tem impurezas tais como argila, quartzo e calcário e durante a combustão estas impurezas fundem e depois solidificam em pequenas esferas de matéria amorfa. A maioria das partículas são arrastadas pelo fluxo de gás de combustão e mais tarde são retidas em precipitadores electrostáticos ou separação mecânica. Na Figura 65 apresenta-se uma foto ampliada de cinza volante.

Figura 65 – Cinzas volantes aumentada 5500 vezes (MBInc.).

Em geral a cinza volante é constituída por matéria amorfa de silicatos de cálcio alumínio e álcalis. A composição exacta é muito variável sendo muito importante o conteúdo em CaO. Nem todos os tipos de cinza são adequados ao fabrico de betão, mas os que são contém sobretudo SiO 2 (mínimo 25% em massa) e Al 2O3 e subdividem-se em dois grupos de acordo com o teor em CaO: 

cinza volante siliciosa (CaO < 10%) → (propriedades pozolânicas) pozolânicas)



cinza volante calcária (CaO > 10%, em geral 15-35%) (propriedades pozolânicas e hidráulicas latentes)

Esta diferença de composição em termos de conteúdo de CaO reflecte-se nas propriedades das cinzas. Na realidade uma cinza volante calcária, além das propriedades pozolânicas pode pode ter também propriedades propriedades hidráulicas hidráulicas (NP EN 197-1, 2001, Soroka, 1993, NP EN 450-1, 2006).

114


As partículas das cinzas são esféricas, o que é vantajoso do ponto de vista de quantidade de água de amassadura e a maioria das partículas tem dimensões de menos de 1 a 100µ 100µm sendo a s.e. entre 250 e 600 m 2/kg (Blaine). O facto de ter uma s.e. elevada significa uma disponibilidade imediata para reacção com o hidróxido de cálcio. A massa volúmica é em média 2.35 kg/dm 3 (Neville, 1995). Apresentam-se as definições de cinza volante (V, W), cinza volante siliciosa (V) e cinza volante calcária (W) de acordo com a NP EN 197-1 (2001) ( 2001) portanto a incluir nos cimentos: Cinzas volantes (V, W)

Generalidades

A cinza volante é obtida por precipitação electrostática ou mecânica de poeira sob a forma de partículas, dos gases de combustão de fornalhas aquecidas com carvão pulverizado. A cinza obtida por outros métodos não deve ser usada no cimento conforme com a NP EN 197-1. A cinza volante pode ser de natureza siliciosa ou calcária. A primeira tem propriedades pozolânicas; a segunda pode ter, complementarmente, propriedades hidráulicas. A perda ao fogo da cinza volante determinada de acordo com a NP EN 196-2, mas usando um tempo de calcinação de 1h, não deve exceder 5,0 % em massa. A cinza volante com perda ao fogo de 5,0 % a 7,0 % em massa também pode ser aceite, desde que os requisitos particulares para a durabilidade, especialmente a resistência ao gelo, e para a compatibilidade com adjuvantes se encontrem de acordo com normas ou regulamentos válidos para betão ou argamassa no local de aplicação. No caso de cinza volante com uma perda ao fogo entre 5,0 % e 7,0 % em massa, o limite máximo, 7,0%, deve ser mencionado na embalagem e/ou na guia de remessa. Cinza volante siliciosa (V)

A cinza volante siliciosa é um pó fino principalmente formado de partículas esféricas com propriedades pozolânicas. É constituída essencialmente por dióxido de silício (SiO 2 ) e por óxido de alumínio (Al 2O3 ). O restante contem óxido de ferro (Fe 2O3 ) e outros compostos. A percentagem de óxido de cálcio reactivo deve ser menor do que 10,0 % em massa, o teor de óxido de cálcio livre, determinado pelo método descrito na NP EN 451-1 não deve exceder 1,0 % em massa. A cinza volante com teor de óxido de cálcio 115


livre maior que 1,0 % em massa, mas inferior a 2,5 % em massa, é também aceitável desde que o requisito quanto à expansão (expansibilidade) não exceda 10 mm, quando ensaiado segundo a NP EN 196-3, usando uma mistura de 30 % em massa de cinza volante siliciosa siliciosa e 70 % em massa de um cimento CEM I conforme com a NP EN 197-1. O teor de dióxido de silício reactivo não deve ser inferior a 25 % em massa. Cinza volante calcária (W)

A cinza volante calcária é um pó fino, com propriedades hidráulicas e ou pozolânicas. É constituída essencialmente por óxido de cálcio reactivo (CaO), por dióxido de silício reactivo (SiO 2 ) e por óxido de alumínio (Al 2O3 ). O restante contem óxido de ferro (Fe 2O3 ) e outros compostos. A percentagem por óxido de cálcio reactivo não deve ser inferior a 10,0 % em massa. A cinza volante calcária que contem entre 10,0 % e 15,0 % em massa massa de óxido de cálcio cálcio reactivo não não deve conter menos menos do que 25,0 % em massa de dióxido de silício reactivo. A cinza volante calcária adequadamente moída contendo mais do que 15,0 % em massa de óxido de cálcio reactivo, deve ter uma resistência à compressão de pelo menos 10,0 MPa aos 28 dias, quando ensaiada segundo a NP EN 196-1. Antes do ensaio, a cinza volante deve ser moída e a finura, expressa como a percentagem em massa da cinza retida por crivagem húmida no crivo de 40 µ m de malha, deve estar entre 10 % e 30 % em massa. O ensaio da argamassa deve ser preparado apenas com cinza volante calcária moída, em vez de cimento. Os provetes de argamassa devem ser desmoldados 48 horas depois da preparação e então curados num ambiente húmido, de humidade relativa de pelo menos 90% durante o ensaio. A expansão (expansibilidade) da cinza volante calcária não deve exceder 10 mm, quando ensaiada segundo a NP EN 196-3, usando uma mistura de 30 % em massa de cinza volante calcária moída, como descrito acima e 70 % em massa de um cimento CEM I conforme com a NP EN 197-1. Se o teor de sulfato (SO 3 ) da cinza volante exceder o limite superior admissível para o teor de sulfato do cimento, então esta situação tem de ser levada em conta para o fabrico do cimento, por redução apropriada dos constituintes que contêm sulfato de cálcio (NP EN 197-1).

116


3.9.6.2 Regulamentação Para a cinza volante (siliciosa – V; calcária – W) como constituinte principal do ligante considera-se a NP EN 197-1 em que a cinza é utilizada de 6 a 35% no CEM II (CEM II/A-V; CEM II/B-V; CEM II/A-W; CEM II/B-W , CEM II/A-M; CEM II/BM) e pode ser constituinte no CEM IV e CEM V (ver 3.10). Para a cinza volante como adição (na altura da amassadura do betão) considerase a especificação LNEC E 464 (2005). Metodologia prescritiva para uma vida útil

de projecto de 50 e de 100 anos face às acções ambientais que refere as condições em que a cinza volante pode ser utilizadas e estabelece a aptidão duma dada mistura, incluindo por ex. a cinza volante para ser constituinte do betão. A cinza volante tem de estar de acordo com as normas europeias já publicadas entre entre nós (ver Quadro 15):

NP EN 450-1:2006 Cinzas volantes para betão. Definições, especificações e controlo da qualidade. (harmonizada) NP EN 450-2:2006Cinzas volantes para betão. Avaliação da conformidade

3.9.7 Sílica de fumo 3.9.8.1 Definição, características e vantagens A sílica de fumo é um subproduto da preparação do metal silício ou de ligas de silício, especialmente de ferro-silício, em fornos eléctricos de arco, onde o quartzo é reduzido pelo carvão, a elevadas temperaturas temperaturas (cerca de 2000 oC). As matérias primas introduzidas no forno para fabrico do silício são constituídas por quartzo, carvão e pedaços de madeira. As reacções químicas que têm lugar são complexas, mas uma delas envolve a formação de um gás – monóxido de silício (SiO), que se oxida formando SiO 2 e condensa em pequenas esferas de sílica amorfa. Estas partículas são arrastadas nos gases de escape e captadas em filtros de saco, antes da sua saída para a atmosfera, obtendo-se assim a designada sílica de fumo ou microssílica (Coutinho, 1988; Soroka, 1993). Na Figura 66 apresenta-se um esquema do processo de produção de sílica de fumo e nas Figuras 67 e 68 apresentam-se fotografias, respectivamente, do edifício do forno e do edifício dos filtros no processamento de sílica de fumo.

117


Figura 66 – Esquema do processo de produção de sílica de fumo numa central de produção do metal silício ou ligas de silício (Fidjestöl e Lewis, 1998).

Figura 67 – Fotografia do edifício dos filtros na produção de sílica de fumo fu mo (Fidjestöl e Lewis, 1998)

Figura 68 – Fotografia do edifício dos filtros na produção de sílica de fumo fu mo (Fidjestöl e Lewis, 1998)

118


As primeiras experiências do uso da sílica de fumo no fabrico de betão foram realizadas na Noruega, por volta de 1950, e depois na Islândia e no Canadá, em 1970. Seis anos mais tarde foi publicada a primeira norma sobre a adição de sílica de fumo ao cimento, mas a sua utilização só se começou a generalizar no início dos anos 80, nomeadamente nomeadamente nos países da América do Norte (Coutinho, 1988). A sílica de fumo é constituída fundamentalmente por SiO 2, cuja percentagem é superior a 90% no caso da produção do silício, e por pequenas quantidades de óxidos de alumínio, ferro, cálcio, magnésio, etc., em percentagens normalmente inferiores a 1%. A proporção relativa destes compostos varia de acordo com a liga metálica que se está a produzir, podendo a percentagem de dióxido de silício diminuir para cerca de 80%, na fabricação de algumas ligas de ferro-silício, ou para 50%, quando se produz cálciosilício (Coutinho, 1988). O diâmetro das partículas varia entre 0,01 e 0,5 µm, com um valor médio próximo de 0,1µ 0,1 µm, o qual é cerca de 100 vezes inferior ao do cimento portland. A superfície específica é elevada, medida por adsorsão do nitrogénio que varia de 15000 a 25000 m2/kg (Coutinho, 1988; Fidjestöl e Lewis, 1998). Na Figura 69 apresentase uma fotografia mostrando partículas individuais de sílica. As partículas individuais de Figura 69– Fotografia (microscopia electrónica de transmissão) mostrando partículas individuais de sílica de fumo ((Fidjestöl e Lewis, 1998)

sílica de fumo muitas vezes agrupam-se formando aglomerados de partículas soltas.

Na Figura 70 apresentam-se curvas de distribuição de 3 tipos de sílica de fumo e na Figura 71 apresenta-se a comparação de curvas granulométricas de cimento Portland, cinza volante calcária e siliciosa e sílica de fumo.

119


Figura 70 – Granulometria de 3 tipos de sílica de fumo. Os grãos aqui representados são aglomerados e não partículas ((Fidjestöl e Lewis, 1998)

Figura 71– Comparação de curvas granulométricas do cimento Portland, cinza volante calcária e siliciosa e sílica de fumo (Soroka, 1993)

A massa volúmica é da ordem dos 2,2 g/cm 3, podendo no entanto aumentar para 3,0 g/cm 3, no caso do fabrico de ligas de silício e manganês. A baridade da sílica de fumo proveniente da preparação do silício é cerca de 250 kg/m3, o que origina dificuldades no seu transporte e manuseamento. manuseamento.

3.9.7.2 Efeitos da sílica de fumo O facto de a s.e. ser muito elevada e o teor em SiO 2 ser muito alto faz com que as reacções pozolânicas acelerem aos primeiros dias. O facto de as partículas serem microscópicas a sílica de fumo produz um efeito de filer na pasta de cimento como se pode observar no esquema da Figura 72. Para a mesma razão água/sólidos, a amassadura, a porosidade inicial, isto é, a fracção volúmica ocupada por água, é a mesmo nos dois sistemas considerados (pasta de cimento e pasta de cimento com sílica 120


de fumo). As partículas micrométricas preenchem os espaços entre os grãos de cimento que são partículas muito maiores e portanto reduzem o volume de vazios. À medida que se vai dando a hidratação os poros capilares, resultantes na pasta com sílica de fumo são então muito mais finos que os poros na pasta só de cimento. Isto é, o facto de se incorporar sílica de fumo conduz a um refinamento da rede porosa. O refinamento da rede porosa tem implicações praticas importantes em betão com sílica de fumo tais como: 

menor permeabilidade e portanto



maior durabilidade (Soroka, 1993).

Figura 72 – Refinamento da rede porosa de pasta de cimento devido ao efeito de filer provocado pela sílica de fumo.

No betão fresco, regra geral, a introdução de sílica de fumo diminui a exsudação e a tendência para o betão segregar, embora faça aumentar a dosagem de água para manter a trabalhabilidade constante. No entanto, usando plastificantes ou superplastificantes, a quantidade de água de amassadura é pouco afectada pela introdução da sílica de fumo. A diminuição da exsudação pode aumentar o risco de o betão fissurar antes da presa, se não se mantiverem as superfícies húmidas, pois mais facilmente surgem situações em que a velocidade de evaporação da água é superior 121


àquela com que chega à superfície (Coutinho, 1988), portanto a cura é muito importante. No betão endurecido podem conseguir-se aumentos na resistência à compressão com percentagens de substituição adequadas – Figura 73, não se observando redução das tensões de rotura nas primeiras idades, como sucedia com as cinzas volantes (Coutinho, 1988).

Figura 73 – Melhoria da resistência com adição de sílica de fumo ((Fidjestöl e Lewis, 1998).

A permeabilidade e a porosidade são diminuídas, o que aumenta a resistência do betão aos agentes agressivos. De facto, a sílica de fumo, devido à sua finura, vai ocupar os vazios entre as partículas do cimento e do agregado, diminuindo o diâmetro dos poros de maiores dimensões, tornando assim o conjunto mais denso como já referido. Estas circunstâncias tem conduzido à sua utilização no fabrico de betão de elevado desempenho, o que constitui uma das aplicações mais interessantes da sílica de fumo (Coutinho, 1988). Hoje já é pratica comum, comum, por exemplo nos EU usar usar betão de elevado desempenho (com sílica de fumo) com resistência da ordem 100-130 MPa para por exemplo construção de edifícios altos. As torres Petronas em Kuala Lumpur foram construídas com betão de elevado desempenho que contém sílica de fumo (Fidjestöl e Lewis, 1998). 122


Em relação à retracção, o betão com sílica de fumo tem uma retracção idêntica à do betão comum mas com a secagem dá-se mais lentamente a taxa de evolução da retracção também é mais lenta e portanto verifica-se que a retracção observada é inferior neste tipo de betão – Figura 74 (Fidjestöl ( Fidjestöl e Lewis, 1998).

dias Figura 74 – Retracção em prismas curados 28 dias antes de serem ensaiados (Fidjestöl e Lewis, 1998).

3.9.7.3 Regulamentação A NP EN 197-1 prevê a utilização da sílica de fumo como constituinte principal do ligante definindo sílica do seguinte modo: Sílica de fumo (D)

A sílica de fumo provem da redução de quartzo de alta pureza com carvão em fornos de arco eléctrico na produção de ligas de silício e de ferro-silício e é constituída por partículas esféricas muito finas contendo pelo menos 85 % em massa de dióxido de silício amorfo. A sílica de fumo deve satisfazer os seguintes requisitos: A perda ao fogo não deve exceder 4,0 % em massa, determinada de acordo com a NP EN 196-2, mas usando um tempo de calcinação de 1 h. A superfície específica (BET) da sílica de fumo não tratada deve ser de pelo menos 15000 m2 /kg, quando ensaiada segundo a ISO 9277. Para moer conjuntamente com clinquer e sulfato de cálcio, a sílica de fumo pode estar no seu estado original ou compactada ou granulada (com água) (NP EN 197-1) 123


Esta norma prevê a incorporação de sílica de fumo no seguinte cimento: 

Cimento Portland de sílica de fumo: CEM II/A-D com 6 a 10%.

E eventualmente no:   

Cimento Portland composto em conjunto com outros constituintes constituintes (CEM II/A-M e CEM II/B-M) Cimentos pozolânicos em conjunto com outros constituintes (CEM IV A e CEM IV/B) Cimento composto em conjunto com outros constituintes (CEM V/A e CEM 5/B.

Para a sílica de fumo como adição (na altura da amassadura do betão) considerase a especificação LNEC E 464 (2005). Metodologia prescritiva para uma vida útil

de projecto de 50 e de 100 anos face às acções ambientais que refere as condições em que a sílica de fumo pode ser utilizadas e estabelece a aptidão duma dada mistura, incluindo por ex. a sílica de fumo para ser constituinte do betão. A sílica de fumo tem de estar de acordo com as normas europeias já publicadas entre nós (ver Quadro 15):

NP EN 13263-1:2006. Sílica de fumo para betão. Parte 1: Definições, requisitos e critérios de conformidade. NP EN 13263-2:2006. Sílica de fumo para betão. Parte 2: Avaliação da conformidade.

3.9.8 Cinza de casca de arroz A cinza de casca de arroz (RHA) é obtida por queima controlada de casca de arroz. A casca de arroz corresponde a cerca de um quinto do arroz produzido mundialmente (cerca de 300 milhões de toneladas por ano). A cinza obtida é uma pozolana muito reactiva constituída por sílica amorfa e que produz no betão os efeitos semelhantes aos da sílica de fumo. As partículas da cinza de casca de arroz são diferentes das de sílica de fumo pois apresentam uma estrutura celular – Figuras 75 e 76, que é responsável pela elevada superfície específica desta pozolana cujas partículas não são de tamanho muito reduzido (Sampaio, Sousa Coutinho e Sampaio, 2001; Sousa, 2005).

124


Figura 75 – Casca de arroz e cinza portuguesas (Sampaio, Sousa Coutinho e Sampaio, 2001).

Figura 76 – Cinza de casca de arroz obtida experimentalmente (Sousa, 2005)

3.9.9 Determinação da reactividade de uma adição tipo II Para as adições tipo II é comum determinar a sua reactividade através do método designado por ÍNDICE DE ACTIVIDADE embora se use, para os cimentos pozolânicos (CEM IV), também um outro método, o da POZOLANICIDADE. - O ÍNDICE DE ACTIVIDADE é um método que se baseia na determinação da tensão de rotura de pastas ou argamassas - A POZOLANICIDADE consiste num num método baseado baseado na determinação do grau de combinação do Ca(OH) 2 com a pozolana.

3.9.9.1 Índice de Actividade (adições tipo II) O índice de actividade de uma adição corresponde à razão (em percentagem) entre a resistência à compressão de provetes normalizados de argamassa preparados com determinada percentagem (em massa) da adição em estudo e a restante de cimento de referência e a resistência à compressão de provetes normalizados de argamassa preparados apenas com cimento de referência, ambos ensaiados com a mesma idade e condições. 125


No Quadro 15 apresentam-se os requisitos em termos de índice de actividade para as adições regulamentadas. Apresenta-se na 4ª coluna a percentagem de substituição do cimento CEMI pela adição que se utiliza para produzir provetes normalizadas de argamassa segundo a NP EN 196-1. Note-se que todos os documentos, documentos, excepto a especificação do LNEC E 375:1993 (ainda em vigor mas a ser substituída pelas EN 15167-1 e EN 15167-2 logo que estas sejam publicadas), exigem que se determine para as adições, o Índice de Actividade (IA) aos 7 e/ou 28 dias de acordo com a NP EN 196-1 (ver **) e que sejam respeitados os valores referidos na última coluna do Quadro 15. Quadro 15 – Índices de actividade exigidos para as diversas adições.

Adição/const. principal do cimento

Escórias

composição Pelo menos 2/3 de CaO,MgO eSiO2 com (CaO+MgO/ SiO2) >1

Documento Substituição Índice de normativo de CEMI* Actividade IA pela adição E 375:1993

É determinada a resistência aos 7 e 28 dias

30%

R 7d 7d≥ 12 MPa R 28d 28d≥ 24 MPa

adição

restante Al2O3 + … Pozolana natural adição

Xisto cozido no cimento Cinza volante Calcária W no cimento (prop. pozolânicas)

rEN 15167-1

Sobretudo SiO2 (>25%) e Al2O3 mas tb. Fe2O3 + …

50%

NP 4220:1993 NP EN 197-1

0

CaO (reactivo) >10% NP EN 197-1 SiO2 Al2O3 mas tb. Fe2O3 + Se 1025% SiO2 >25% NP EN 197-1 Al2O3 CaO (reactivo) ≤10%

Cinza volante Siliciosa V no cimento (prop. pozolânicas e hidráulicas) Cinza volante siliciosa SiO2 >25% Al2O3 adição CaO(reactivo)≤10% Sílica de fumo SiO2 >85% (BET> 15 m2/g) no cimento Sílica de fumo SiO2 >85% (15
NP EN 4501:2006

IA7d≥ 45% IA28d≥ 70% 25% 85% ** 28d≥IA 25 28d≥R

MPa

Se CaO(reactivo)>15% →

É determinada a resistência aos 28 dias

R 28d 28d≥10 MPa

25%

IA7d≥ 75% IA28d≥ 85%

10%

IA28d≥ 100%

NP EN 197-1 NP EN 132631:2006

* Em cada documento normativo são referidas as características do CEMI ** Procedimento acordo com a NP EN 196-1, salvo no referente à conservação do provete decorridas 24 h após a amassadura e até 24 horas antes do ensaio, que deve ser feita em água a 38 ± 2oC

126


3.9.9.2 Pozolanicidade Segundo a NP EN 196-5 Métodos de ensaio de cimentos. Parte 5: Ensaio de

pozolanicidade dos cimentos pozolânicos (CEM IV) usam-se 20 g do cimento pozolânico para 100 ml de água. No final mede-se a quantidade de Ca(OH) 2 presente na solução e compara-se com a quantidade que satura um meio com a mesma alcalinidade. Mistura-se vigorosamente com a água e coloca-se de 8 a 15 dias a 40 oC. O ensaio considera-se positivo (satisfaz o ensaio) se a concentração de Ca(OH) 2 na solução for inferior a concentração de saturação, isto é, se o ponto correspondente estiver abaixo da curva de concentração representada na Figura 77. A Norma não é aplicável aos cimentos portland de pozolana nem às pozolanas.

Legenda 1 Satisfaz 2 Não satisfaz X Concentração em ião ião hidroxilo, mmol/L mmol/L Y Concentração em ião cálcio (expresso em óxido de cálcio), mmol/L mmol/L

Figura 77 – Diagrama para a determinação da pozolanicidade (NP EN 196-5).

127


O princípio inerente a este ensaio é que a actividade pozolânica consiste na fixação de hidróxido de cálcio pela pozolana tal que quanto mais baixa for a concentração final daquele hidróxido, mais elevada será a pozolanicidade.

3.10 ESPECIFICAÇÕES DOS CIMENTOS E NORMALIZAÇÃO EM PORTUGAL Neste momento em Portugal o cimento cinzento produzido pelas cimenteiras nacionais vêm aposto da marca de qualidade CЄ e é fabricado de acordo com as normas que abrangem toda a União Europeia (EN 197). As características fixadas nestas normas são de natureza mecânica, física, química e de durabilidade: durabilidade: Características Características mecânicas: Características Características físicas: Características Caracter ísticas químicas:

Resistência Resistência de referência Resistência aos primeiros dias Tempo de início de presa Expansibilidade Perda ao fogo Resíduo insolúvel Teor de sulfatos Teor de cloretos Pozolanicidade

Note-se que os requisitos relativamente a estas características estão fixadas nas normalização referida em 3.1. Os métodos de ensaio vem referidos na norma NP EN 196 :

NP EN 196. Métodos de ensaios de cimentos NP EN 196 – 1 (2006) Determinação Determinação das resistências mecânicas. mecânicas. NP EN 196 – 2 (2006) Análise química dos cimentos.(incorpora cimentos.(incorpora a EN 196-21) NP EN 196 – 3 (2006) Determinação Determinação do tempo de presa e expansibilidade, expansibilidade,

Foi elaborado um documento ENV 196-4:Métodos de ensaio de cimentos – Parte 4: Determinação quantitativa dos constituintes, que será publicado como Relatório Técnico CEN.

NP EN 196 – 5 (2006) Ensaio de pozolanicidade pozolanicidade dos cimentos pozolânicos. NP EN 196 – 6 (1996) Determinação da finura. NP EN 196 – 7 (1996) Métodos de colheita e preparação de amostras de cimento. NP EN 196 – 8 (2006). Métodos de ensaio de cimentos – Parte 8: Calor de hidratação – Método da dissolução NP EN 196 – 9 (2006). Métodos de ensaio de cimentos – Parte 8: Calor de hidratação – Método semi-adiabático

128


Os cimentos brancos para os quais não existe norma europeia específica, são fabricados em Portugal segundo a norma NP 4326 (1996) e de acordo com a NP 4435 (2004). Os 27 produtos da família dos cimentos correntes, abrangidos pela NP EN 1971, a sua designação e composição são indicados no Quadro 16 (Quadro1, NP EN 1971). Eles são agrupados em cinco principais tipos de cimento:     

- CEM I - CEM II - CEM III - CEM IV - CEM V

Cimento Portland Cimento Portland composto Cimento de alto forno Cimento pozolânico Cimento composto

Apresentam-se seguidamente algumas definições pertinentes para a compreensão do referido quadro, transcritas transcritas da NP EN 197-1 ( em itálico): itálico): Constituinte principal -

material inorgânico especialmente seleccionado

e utilizado numa percentagem superior a 5% em massa em relação à soma de todos os constituintes principais e adicionais minoritários. Os constituintes principais podem ser: Clinquer do cimento Portland (K) Escória granulada de alto forno (S) Pozolana natural (P) Pozolana natural calcinada (Q) Cinza volante siliciosa (V) Cinza volante calcária (W) Xisto cozido (T) Calcário (L, LL) Sílica de fumo (D)

Constituinte adicional minoritário

- material inorgânico especialmente

seleccionado e utilizado numa percentagem não excedendo um total de 5% em massa em relação à soma de todos os constituintes principais e adicionais minoritários.

129


Quadro 16 - Os 27 produtos da família de cimentos correntes (NP EN 197-1, 2001) Composição (percentagem em massa a) Constituintes Constituintes principais Notação dos 27 produtos (tipos de cimento corrente)

Cimento Portland Cimento Portland de escória Cimento Portland de sílica de fumo

Cimento Portland de pozolana

Cimento Portland de cinza volante

Cimento Portland de xisto cozido

Cimento Portland de calcário

Cimento Portland composto

c

Cimento de alto forno

Cimento pozolânico c

Cimento composto c

Clinquer

Pozolana

K

Escória de alto forno S

Sílica de fumo D b

CEM I

95-100

-

CEM II/A-S

80-94

CEM II/B-S

Calcário

Xisto cozido

silicios a V

calcária

P

natural calcinada Q

W

T

L

LL

-

-

-

-

-

-

-

-

0-5

6-20

-

-

-

-

-

-

-

-

0-5

65-79

21-35

-

-

-

-

-

-

-

-

0-5

CEM II/A-D

90-94

-

6-10

-

-

-

-

-

-

-

0-5

CEM II/A-P

80-94

-

-

6-20

-

-

-

-

-

.

0-5

CEM II/B-P

65-79

-

-

21-35

-

-

-

-

-

-

0-5

CEM II/A-Q

80-94

-

-

-

6-20

-

-

-

-

-

0-5

CEM II/B-Q

65-79

-

-

-

21-35

-

-

-

-

-

0-5

CEM II/A-V

80-94

-

-

-

-

6-20

-

-

-

-

0-5

CEM II/B-V

65-79

-

-

-

-

21-35

-

-

-

-

0-5

CEM II/A-W

80-94

-

-

-

-

-

6-20

-

-

-

0-5

CEM II/B-W

65-79

-

-

-

-

-

21-35

-

-

-

0-5

CEM II/A-T

80-94

-

-

-

-

-

6-20

-

-

0-5

CEM II/B-T

65-79

-

-

-

-

-

-

21-35

-

-

0-5

CEM II/A-L

80-94

-

-

-

-

-

-

-

CEM II/B-L

65-79

-

-

-

-

-

-

-

CEM II/ALL CEM II/BLL

80-94

-

-

-

-

-

-

CEM II/A-M

80-94

<---------------------------<--------------------------------------------------------- 6-20 -------------------------------------------------------------------> -------------->

0-5

CEM II/B-M

65-79

< - ------------------------------------------------------------------------------ 21-35 ------------------------------------------------------------------------------ >

0-5

CEM III/A

35-64

36-65

-

-

-

-

-

-

-

-

0-5

CEM III/B

20-34

66-80

-

-

-

-

-

-

-

-

0-5

CEM III/C

5-19

81-95

-

-

-

-

-

-

-

-

0-5

CEM IV/A

65-89

-

< ------------ --- 11-35 ---------- -------- >

-

-

-

0-5

CEM IV/B

45-64

-

< ------------ --- 36-55 ---------- ------- >

-

-

-

0-5

CEM V/A

40-64

18-30

-

< --------- 18-30 -------- >

-

-

-

-

0-5

CEM V/B

20-38

31-50

-

< --------- 31-50 -------- >

-

-

-

-

0-5

65-79

-

natural

Cinza volante

s i a n o i c i d a s e s t o n i i r á u t t i i t r s o n i o n C m

-

-

-

-

6-20 21-35

-

-

0-5

6-20

0-5

21-35

0-5

alores do quadro referem a soma dos constituintes principais e dos adicionais minoritários.. corporação de sílica de fumo é limitada a 10 %. s cimentos Portland compostos CEM II/A-M e CEM II/B-M, nos cimentos pozolânicos CEM IV/A e CEM IV/B e nos cimentos compostos CEM V/A e CEM V/B os stituintes principais, além do clínquer, devem ser declarados na designação do cimento ( por exemplo ver cláusula 8)

130

0-5


Clinquer do cimento Portland (K)

Como visto anteriormente, o clinquer do cimento Portland resulta da sinterização de uma mistura rigorosamente especificada de matérias primas (farinha ou pasta) contendo elementos, geralmente expressos como óxidos, CaO, SiO 2 , Al 2O3 , Fe2O3 e pequenas quantidades de outros materiais. A farinha ou a pasta finamente pulverizada, intimamente misturada e por isso homogénea ( NP EN 197-1). Repare-se que as diferenças fundamentais relativamente aos constituintes principais entre os cinco tipos de cimento são: CEM I: cimento apenas constituído por um único constituinte principal – o clinquer. CEM II ou cimentos Portland: constituídos por pelo menos cerca de dois terços (≥65%) de clinquer. CEM III ou cimentos de alto forno: constituído por clinquer e por mais de 35% de escórias de alto forno, podendo esta quantidade chegar a 95%. CEM IV ou cimentos pozolânicos: pozolânicos: constituídos constituídos por mais de 45% de clinquer e o restante por sílica de fumo, pozolana ou cinzas volantes. CEM V ou cimentos compostos: constituídos por pelo menos 20% de clinquer e pelo menos 18% de escórias sendo o restante pozolana e/ou cinza volante siliciosa. Portanto um cimento CEM só é designado por “Portland” se contém pelo menos 65% de clinquer (Jackson, 1998). Constituintes adicionais minoritários

Os constituintes adicionais minoritários são materiais minerais inorgânicos naturais e materiais minerais inorgânicos derivados do processo de produção de clinquer, especialmente seleccionados, ou constituintes como especificado em 5.2, salvo se estiverem incluídos como constituintes principais do cimento. Os constituintes adicionais minoritários, depois de preparação adequada e tendo em conta a sua distribuição granulométrica, melhoram as propriedades físicas do cimento (tais como a trabalhabilidade ou a retenção de água). Podem ser inertes ou ter propriedades levemente hidráulicas, hidráulicas latentes ou pozolânicas. Contudo, não são fixados requisitos para eles a este respeito.

131


Os constituintes adicionais minoritários devem ser correctamente preparados, isto é, seleccionados, homogeneizados, secos e pulverizados, dependendo do seu estado de produção ou de entrega. Não devem aumentar consideravelmente a necessidade de água do cimento, enfraquecer a resistência do betão ou da argamassa à deterioração, em qualquer caso, ou reduzir a protecção à corrosão da armadura do betão .

Sulfato de cálcio

O sulfato de cálcio é adicionado aos outros constituintes do cimento durante o seu fabrico para controlar a presa. O sulfato de cálcio pode ser gesso (sulfato de cálcio dihidratado, CaSO 4.2H 2O), hemihidratado (CaSO4.1/2H 2O), ou anidrite (sulfato de cálcio anidro, CaSO 4 ) ou qualquer mistura dos mesmos. O gesso e a anidrite encontram-se em estado natural. O sulfato de cálcio está também disponível como um sub-produto de determinados processos industriais.

Aditivos

Os aditivos considerados na EN 197-1 são constituintes não abrangidos nos parágrafos 5.2 a 5.4 que são adicionados para melhorar o fabrico ou as propriedades do cimento. A quantidade total de aditivos não deve exceder 1.0 % em massa do cimento (excepto para pigmentos). A quantidade de aditivos orgânicos, numa base seca, não deve exceder 0.5 % em massa do cimento. Estes aditivos não devem desenvolver a corrosão da armadura do betão ou prejudicar as propriedades do cimento ou do betão ou da argamassa de cimento. Quando são usados no cimento adjuvantes para betão, argamassa ou caldas de injecção, conformes com a EN 934, a notação normalizada do adjuvante deve ser declarada nos sacos ou nas guias de remessa ( NP NP EN 197-1). 197-1). Os requisitos mecânicos e químicos dos cimentos terão que estar de acordo com os Quadros 17 e 18 (2 e 3 da NP EN 197-1, respectivamente). respectivamente).

132


Quadro 17 - Requisitos mecânicos e físicos considerados como valores característicos especificados (Quadro 2, NP EN197-1). Resistência à compressão MPa Classe de resistência

Resistência aos primeiros dias

Tempo de início de presa

Resistência de referência

Expansibilidade (Expansão) mm

min 2 dias

7 dias

32,5 N

-

≥ 16,0

32,5 R

≥ 10,0

-

42,5 N

≥ 10,0

-

42,5 R

≥ 20,0

-

52,5 N

≥ 20,0

-

52,5 R

≥ 30,0

-

28 dias ≥ 32,5

≤ 52,5

≥ 75

≥ 42,5

≤ 62,5

≥ 60

≥ 52,5

-

≥ 45

≤ 10

Quadro18 - Requisitos químicos considerados como valores característicos especificados (Quadro 3, NP EN197-1). 1

2

Propriedade

Referência de ensaio

Perda ao fogo Resíduo insolúvel

Teor de sulfato (em SO3)

a b c d e f

4

5

Tipo de cimento

Classe de resistência

Requisitos a

EN 196-2*

CEM I CEM III

Todas

≤ 5,0 %

EN 196-2 b

CEM I CEM III

Todas

≤ 5,0 %

32,5 N 32,5 R 42,5 N

≤ 3,5 %

EN 196-2

3

CEM I CEM II c CEM IV CEM V

42,5 R 52,5 N 52,5 R

CEM III d

Todas

≤ 4,0 %

Teor de cloreto

EN 196-21

Todas e

Todas

≤ 0,10 % f

Pozolanicidade

EN 196-5

CEM IV

Todas

Satisfaz o ensaio

Os requisitos são indicados como percentagem em massa do cimento finalizado. A determinação do resíduo insolúvel em ácido cloridrico e carbonato de sódio. O tipo de cimento CEM II/B-T pode conter até 4,5 % de sulfato em todas as classes de resistência. O tipo de cimento CEM III/C pode conter até 4,5 % de sulfato. O tipo de cimento CEM III pode conter mais do que 0,10 % de cloreto, mas neste caso o máximo teor de cloreto deve ser referido na embalagem e/ou na guia de remessa. Para aplicações em betão pré-esforçado, os cimentos podem ser produzidos com um valor inferior. Se assim fôr, o valor de 0,10% deve ser substituido por este valor inferior, inferior, o qual deve ser indicado na guia de remessa.

133


3.11 CIMENTOS ESPECIAIS 3.11.1 Cimento Supersulfatado (Ciment mettalurgique supersulfaté) Este cimento especial é constituído por: 80 – 85% escórias granuladas de alto forno 10 – 15% sulfato de cálcio 5% clínquer de cimento Portland Apresenta em geral uma finura de 400 – 500 m 2/kg e deve ser armazenado em locais sem humidade para não se deteriorar rapidamente. Não está normalizado na Europa mas no Reino Unido a norma é a BS 4248:1974 embora já não se produza nesse país. É muito usado na Bélgica. Apresenta as seguintes características: 

elevada resistência resistência à água do mar



elevada resistência em ambientes com concentrações altas de sulfatos, tais como em solos ou águas subterrâneas



resistente resistente a ácidos carboníferos e óleos



usado em esgotos e solos contaminados



baixo calor de hidratação pelo que é adequado para betão em massa

No entanto pode ser: - desaconselhável em ambientes frios onde o desenvolvimento da resistência é lento -

desaconselhável sem ensaios prévios, se usado com cura acelerada com vapor, acima 50 oC

-

desaconselhável a mistura com cimentos Portland pois o hidróxido de cálcio em excesso resultante da hidratação do cimento Portland, interfere com a reacção da escória com o sulfato de cálcio.

-

necessária cura húmida de pelo menos 4 dias sobretudo em ambientes quentes

134


-

necessária mais água que em cimentos Portland recomendando-se A/C ≥ 0.4

-

também é recomendado não utilizar menos cimento do que o correspondente a um traço 1 : 6

Em princípio é menos resistente que o cimento (Portland) resistente aos sulfatos quando a concentração de sulfatos excede 1% (Neville, 1995).

3.11.2 Cimento aluminoso O cimento aluminoso é muito diferente do cimento Portland quer em composição quer nalgumas propriedades, propriedades, pelo que a sua aplicação em betão estrutural é muito limitada, tendo sido proibido o seu uso no Reino Unido e EUA. As técnicas de betonagem são semelhantes às do cimento Portland. O cimento aluminoso oferece elevada resistência ao ataque por sulfatos devido à ausência de Ca(OH) 2 no cimento hidratado e também devido à influência protectora de gel de alumina que se forma durante o processo de hidratação e que é relativamente inerte. A composição é aproximadamente a seguinte: cerca de 40% alumina alumina 40% óxido de cálcio 15% óxido de ferro 5% sílica pequenas quantidades de TiO2, óxido de magnésio e álcalis podem estar presentes A matéria prima é geralmente calcário e bauxite. A bauxite é uma rocha sedimentar residual formada por degradação em ambientes tropicais de rochas pré-existentes ricas em alumínio. A bauxite é composta de alumina hidratada, óxidos de ferro e titânio e pequenas quantidades de sílica.

135


O calcário e bauxite são aquecidos fundindo totalmente a 1600 oC em fornos especiais e depois arrefecido e moído produzindo-se um pó muito escuro com finura de 290 – 350 m 2/kg. O custo do cimento aluminoso é muito elevado devido ao elevado consumo de energia de produção e desgaste verificado na moagem. É necessário salientar que a resistência química diminui drasticamente após o fenómeno designado por conversão do cimento aluminoso. O cimento aluminoso hidratado é constituído por aluminatos cálcicos hidratados (CA H 10 ( Al 2O3.aq) .aq) e como referido, 10 ) e pequenas quantidades de C 2 AH 8 e gel aluminoso ( Al isento de Ca(OH)2. Mas o componente principal CAH 10 10 é quimicamente instável quer a temperaturas mais elevadas quer a normais transformando-se em C 3 AH 6 6 e gel aluminoso, fenómeno designado por conversão: 3CAH 10 10 → C 3 AH 6 6 + 2AH 3 + 18 H Nota: C = CaO A = Al 2O3 H = H 2O O problema do fenómeno da conversão do cimento aluminoso reside no facto de levar à perda da resistência do betão e aumento de porosidade da pasta. Em Inglaterra o cimento aluminoso foi utilizado em estruturas pré-esforçadas por este tipo de cimento apresentar resistências resistências muito elevadas nas primeiras idades. Depois de uma série de acidentes devido ao fenómeno da conversão, foi proibido, no início dos anos 70, o uso deste tipo de cimento. O betão com cimento aluminoso tem importantes propriedades refractárias a partir dos 1000oC. Com utilização de agregado de tijolo refractário tem um bom comportamento até cerca de 1350 oC e com agregados especiais fabricados de alumina fundida ou "carborundum" até uma temperatura de 1600 oC ou ainda superiores (1800oC) utilizando-se um cimento branco especial de aluminato de cálcio com agregado de alumina fundida. 136


O betão refractário produzido com cimento aluminoso tem também uma elevada resistência ao ataque por ácidos. Pode-se produzir betão leve para isolamento térmico em situações em que as temperaturas podem atingir cerca de 95 oC, utilizando-se cimento aluminoso e agregado leve e obtendo-se betão com densidade de 500 – 1000 kg/m 3 e condutibilidade térmica de 0.21 a 0.29 J/m 2SoC (Neville, 1995).

3.11.3 Cimento Expansivo O cimento expansivo é um cimento que apresenta a propriedade de expandir às primeiras idades idades e assim compensar compensar a retracção causada por por secagem. Este cimento é bastante mais dispendioso que cimento Portland mas pode ter muito interesse para obras onde é importante a redução ou eliminação de possível fissuração. De facto o que se verifica é que a expansão inicial equilibra aproximadamente aproximadamente a retracção usual subsequente. Os primeiros cimentos expansivos foram desenvolvidos em França e Rússia usando-se uma mistura mistura de cimento Portland, Portland, agente expansivo expansivo e um estabilizador. estabilizador. O agente expansivo era obtido pela calcinação de uma mistura de gesso, bauxite e cré (rocha calcária) com formação de sulfato de cálcio e aluminato de cálcio (sobretudo C 3 A). A). Em presença de água estes compostos conduzem á formação de etringite (sulfoaluminato de cálcio hidratado) acompanhada de expansão da pasta de cimento. O estabilizador era escória de alto forno que consumia lentamente o excesso de sulfato de cálcio evitando a continuação da expansão. Hoje fabricam-se 3 tipos de cimentos expansivos embora apenas um deles seja comercializado nos EUA. A norma americana ASTM C 845-90 classifica os cimentos expansivos (designados, (designados, todos, por Tipo E-1) de acordo com o agente expansivo usado com cimento Portland e sulfato sulfato de cálcio. cálcio. Em qualquer qualquer dos 3 cimentos o agente expansivo é uma fonte de aluminato reactivo que se combina com os sulfatos formando-se etringite. Esta reacção é rápida. Embora a formação de etringite seja muito nefasta em betão endurecido, a formação controlada de etringite nos primeiros dias após a betonagem é utilizada como efeito compensador da retracção (Neville,1995). (Neville,1995). 137


4. CALDAS DE INJECÇÃO 4.1 INTRODUÇÃO Uma calda de injecção é uma mistura de cimento, possivelmente adjuvantes e grande quantidade de água, em geral com uma razão água/cimento (massa) de 0,36 a 0,40 (no máximo até 0.44). As caldas de injecção são utilizadas para:

• injecção de bainhas (cabos de pré-esforço) • ancoragens • colmatação de fendas em maciços rochosos, etc. De facto os aços de pré-esforço, quando em tensão, são particularmente sensíveis à corrosão. Só uma capaz e segura protecção capaz e segura garantirá a duração e conservação a longo prazo das armaduras e, consequentemente, das estruturas. A protecção mais comum e eficaz é conseguida com injecção das bainhas de calda de cimento. Existem também, protecções flexíveis com massas e óleos associados a bainhas de polietileno. No pré-esforço por aderência é o próprio betão estrutural que garante a protecção ao envolver o aço (Nero, 1998) Nas Figura 78 apresentam-se um esquema e a fotografia correspondente a um cabo de pré-esforço.

138


Figura 78 – Esquema e fotografia de um cabo de pré-esforço, pronto para injecção (Dywidag).

Nas Figuras 79 a 85 apresentam-se fotografias de vários aspectos relacionadas com a aplicação de caldas em bainhas de pré-esforço.

Figura 79 – Cabeça de ancoragem e bainhas (Dywidag).

Figura 81 – Bainha para cabo de pré-esforço (Dywidag).

Figura 80 – Cabos de pré-esforço em rolo (Dywidag).

139


Figura 82 – Dois tipos diferentes de bainhas e uma cabeça de ancoragem (Dywidag).

Figura 83 – Cabeça de ancoragem e bainha.

Figura 84 – Aspectos das bainhas no local (VSL).

140


colocação da cabeça de ancoragem colocação da cabeça de ancoragem

colocação do macaco

colocação do macaco

colocação em carga

colocação em carga, medição de alongamentos, bloqueamento dos cordões

bloqueamento das mordaças

Figura 85 - Aplicação do pré-esforço (VSL).

4.2 FABRICO A calda deverá ser fabricada em equipamento especial normalmente dispondo-se de duas cubas. Numa das cubas é fabricada a calda em mistura a alta velocidade passando em seguida à segunda cuba onde a calda é apenas agitada e daí sendo injectada por uma bomba capaz de manter uma pressão de 1 MPa pelo menos Figura 86. Habitualmente a ordem de entrada dos componentes na primeira cuba é: água, cimento e adjuvante. 141


Figura 86 –Equipamento para fabrico (à esquerda) esquerda) e injecção (à direita) de calda.

4.3 PROPRIEDADES DA CALDA E NORMALIZAÇÃO As propriedades da calda de cimento dependem de muitos factores salientandose os seguintes: tipo e idade do cimento  razão água:cimento  tipo e quantidade de adjuvante  temperatura e  técnica de mistura e bombagem. As reacções químicas que têm lugar durante o processo de hidratação do 

cimento tornam difícil a previsão, com segurança, das propriedades da calda (Nero, 1998). As caldas de injecção para armaduras de pré-esforço tem de estar de acordo com as normas seguintes: NP EN 445 Caldas de injecção para armaduras de pré-esforço. Métodos de ensaio (2000) NP EN 446 Caldas de injecção para armaduras de pré-esforço. Procedimentos de injecção (2000) NP EN 447 Caldas de injecção para armaduras de pré-esforço. Especificações para caldas correntes (2000)

Segundo estas normas as caldas de injecção devem satisfazer requisitos relativos a: 1. Fluidez 2. Exsudação 3. Variação de volume e 4. Resistência As condições gerais para realização dos ensaios devem ser tais que a temperatura seja de 20 0 ± 20 C e a Humidade Humidade Relativa Relativa superior superior a 65%. O cimento a utilizar deve em princípio princípio ser tipo CEM I em acordo com a NP EN 197-1. 197-1.

142


Descrevem-se sucinta e esquematicamente alguns dos métodos de ensaio relativos a caldas de injecção referidos nas normas acima mencionadas:

1. Ensaio de fluidez: Durante o período de injecção a fluidez deve ser suficientemente elevada de modo a permitir uma injecção eficaz e adequada por forma a encher a bainha, mas suficientemente baixa para expulsar todo o ar eventual água da bainha (NP EN 447, 2000). MÉTODO DO CONE

MÉTODO DE IMERSÃO

Determinação do tempo de escoamento (segundos) de 1litro de calda. É colocado no cone cerca de 1,7 litros de calda tendo-se previamente ajustada, na entrada do cone, um peneiro amovível de malha 1,5mm para evitar eventuais grumos. Coloca-se sob o orifício do cone um recipiente de capacidade 1 litro.

Determinação do tempo de percurso (segundos) de uma sonda através de uma determinada quantidade de calda colocada num tubo vertical. O tubo é cheio com aproximadamente 1,9 litros de calda, é colocada a sonda de modo que fique imersa na calda na parte superior do tubo de tal modo que o espaçador de madeira(3) assente no bordo do tubo, sustente o travão(1) da extremidade superior do guia(2). O tempo de percurso é contado a partir do momento em que se retira o espaçador e a sonda começa a descer.

• Tempo de escoamento medida logo a • Ensaio realizado imediatamente a seguir ao fabrico da seguir ao fabrico

25 s

calda • 30 minutos depois (mantendo agitação)

30 s 80 s

• Dois valores medida 30m após(mantendo • 3 medidas de cada vez, considerando só as duas últimas. O resultado igual á média das duas últimas entretanto a agitação) medidas.

25 s

• À saída da bainha

10 s

• À saída da bainha

143

25 s


2. Ensaio de exsudação: A exsudação das caldas de injecção deve ser suficientemente baixa para evitar a segregação e a sedimentação. O ensaio da exsudação consiste na medição da quantidade de água que reflui á superfície ao fim de 3 horas, sendo impedida a evaporação (NP EN 447, 2000). Dimensões da proveta cilíndrica graduada transparente: 

Diâmetro 25 mm e altura 250mm (graduada em ml) ou



Diâmetro 50 mm e altura 200mm (graduada em mm)

Para a proveta de 25mm de diâmetro, verter 95 a 100ml de calda na proveta e medir o nível V. Tomando medidas que impeçam a evaporação medir, três horas mais tarde , a quantidade de água à superfície da calda (V1). Para a proveta de 50mm de diâmetro verter a calda na proveta aproximadamente até a altura altura de 150mme proceder como como explicado anteriormente. se ∅25



± 100 ml



até ± 150 mm se ∅50

CALDA DE INJECÇÃO CORRENTE ( NP EN 447)

V 1 < 2% V

3. Ensaio de variação de volume: A variação de volume tanto pode ser um aumento como uma diminuição. Para caldas de injecção que contenham agentes expansivos não se deverá registar diminuição diminuição de volume (NP EN 447, 2000). O ensaio da variação de volume consiste na determinação da variação de volume ao fim de 24 horas e permite determinar principalmente a variação de volume causada por sedimentação ou expansão. Existem dois métodos designados por método da proveta cilíndrica e método do recipiente.

Método da proveta cilíndrica: Neste método aproveita-se a proveta cilíndrica de 50mm de diâmetro e 200mm de altura usada no ensaio da exsudação.

144


Método da proveta cilíndrica:



Encher a proveta até um nível h.



24 horas depois medir a altura h2



Calcular a variação de volume

h2 − h ∆V = ×100% h

CALDA DE INJECÇÃO CORRENTE ( NP EN 447)

− 1 < ∆V < +5%

4. Ensaio da resistência á compressão: Este ensaio pode ser realizado segundo as normas referidas, em 6 meios prismas resultantes do ensaio à flexão ou cilindros de 100mm de diâmetro e 100mm de altura. altura. ou ainda, em determinadas determinadas situações provetes cúbicos. O resultado da resistência à compressão aos 28 dias terá que ser superior a 30 MPa ou 27 MPa aos 7 dias. Note-se que o REBAP, ainda em vigor, prevê a utilização de cubos de 10cm de aresta para os quais a resistência à compressão aos 7 dias deverá ser superior a 17MPa. Na Figura 87 apresentam-se gamas de valores recomendados por Nero (1998) em função da temperatura ambiente, para a fluidez (cone de Marsh), exsudação ao fim de 3 horas, variação de volume ao fim de 3 horas e resistência à compressão para determinada razão água/cimento. água/cimento.

4.4 TECNOLOGIA DE INJECÇÃO A injecção é uma operação delicada onde surgem muitas dificuldades devendo ser cuidadosamente preparada no que se refere a equipamento, limpeza de bainhas, purgas, localização do equipamento, meios de recurso em caso de acidente, etc.. A injecção tem lugar após a operação de pré-esforço das armaduras e preparação das ancoragens para a injecção.

145


Figura 87 - Valores aconselháveis aconselháveis (Nero, 1998)

146


A operação de injecção requer pessoal especializado perfeitamente conhecedor das condições específicas da obra evitando-se a todo o custo improvisações. O prazo entre o pré-esforço e a injecção deverá ser o mais curto possível. Condições a verificar antes de iniciar os trabalhos de injecção: • - o pré-esforço está completo e os relatórios aceites pela Fiscalização; Fiscalização; • - cumpridas as determinações determinações da Fiscalização; Fiscalização; • - realizados os preparativos necessários; necessários; • - equipamento e acessórios em boas condições; • - materiais de consumo assegurados (cimento, água, adjuvante); • - água sob pressão e compressor disponíveis junto dos trabalhos; • - pessoal especializado e auxiliares em número suficientes; • - verificada a livre passagem de ar nas bainhas e nas purgas; • - purgas protegidas de danos durante os trabalhos; • - escolhidas as posições da máquina de injecção. Durante as operações de injecção o pessoal deverá estar protegido com óculos, luvas e aventais. A temperatura ambiente ideal para realizar as operações de injecção ronda entre os 17º e 20 oC devendo evitar-se temperaturas extremas superiores a 35ºC e inferiores a 5ºC sem tomar as devidas precauções precauções (Nero, 1998).

4.5 INJECÇÃO PROPRIAMENTE DITA A operação de injecção começa com os preparativos já atrás indicados no que se refere a equipamento, materiais, pessoal e localização da zona de trabalho. •

verificação da bainha

→

passar ar comprimido testando a livre passagem nas

purgas •

limpeza das bainhas

→

passar água corrente após a primeira passagem de ar.

Esta operação é dispensável se a permanência do aço na obra não é exagerada. Sempre que há limpeza deve-se extrair a água com uma segunda passagem de ar. •

preparação da calda

→

preparar calda em quantidade suficiente para injectar

completamente um cabo no mínimo. A calda deve ser preparada de acordo com os ensaios prévios.

147


• estabelecer as ligações

→

depois de verificar a livre saída da calda ligar a

mangueira da bomba ao dispositivo dispositivo da ancoragem. • proceder à injecção

→

ligar a bomba provocando a entrada de calda no interior

da bainha. Deixar sair calda pelas purgas com consistência semelhante à da entrada fechando-as em seguida. Quando a calda atinge a purga final deixar sair nas condições anteriores e fechar. Continuar a injectar até atingir uma pressão da ordem de 0,5 a 0,7 MPa (5 a 7 kg/cm 2) e manter a esta pressão. Fechar a entrada desligando a mangueira. O operador deverá estar atento à pressão indicada no manómetro. Aumentos de pressão alertam para problemas, normalmente bloqueios nas bainhas. Deverá manter-se a velocidade de escoamento da calda no interior das bainhas o mais uniforme possível sendo de 6 a 12 m/minuto a gama de velocidades que conduzem a melhores resultado (Nero, 1998).

4.6 ANOMALIAS NA INJECÇÃO Aparecem anomalias durante a operação de injecção sendo muito frequentes as relacionadas com o equipamento, bloqueios nas bainhas, fugas de calda por fissuras, etc.. Sempre que uma anomalia surge durante a injecção de uma bainha e não se consegue remediá-la em tempo oportuno proceder de imediato à lavagem da bainha com água em pressão e ar comprimido até conseguir conseguir saída de água limpa. Não reutilizar calda saída das purgas nem aplicar calda com demasiado tempo de fabrico porque poderá originar problemas de sedimentação e consequentes bloqueios (Nero, 1998).

4.7 REINJECÇÃO (POST-GROUTING) Corresponde a uma operação complementar complementar de injecção injecção com o fim de substituir vazios ocupados por ar ou água nas bainhas após injecção original (EN 446, 2000). Deve-se evitar a todo o custo ter que recorrer a reinjecção. O seu custo é considerável e normalmente complica o bom andamento da obra. Escolher criteriosamente os locais de implantação das ligações de reinjecção e correspondentes purgas de saída.

148


Fabricar uma calda com a menor razão água:cimento possível de modo a reduzir a exsudação. Injectar com cuidado tendo em atenção que se tratam de pequenas quantidades de calda (Nero, 1998).

4.8 NOTAS FINAIS O cimento, como elemento activo, tem muita influência nas propriedades da calda. Sabe-se que determinados tipos de cimento têm reacções anómalas com adjuvantes pelo que se recomenda a execução de ensaios prévios sempre que se não disponha da experiência necessária de aplicações anteriores. Não utilizar cimentos com menos de uma semana de fabrico nem cimentos de presa rápida devido ao risco de bloqueios. Evitar cimentos com grânulos por vezes resultantes de tempo exagerado de armazenagem. As operações de injecção são muito delicadas tendo que ser realizadas no final da execução da estrutura, habitualmente na fase da obra em que é muita a pressão para cumprimento de prazos, aconselhando-se a tomada de todos os cuidados indispensáveis de modo a assegurar o êxito dos trabalhos (Nero, 1998).

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Placosa – sistemas placoplatre

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Departamento de Engenharia Civil

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